ES2314088T3 - A THERMOSTABLE ISOMERASA AND ITS USE, IN PARTICULAR TO PRODUCE TAGATOSA. - Google Patents
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Abstract
Una L-arabinosa-isomerasa capaz de isomerizar D-galactosa en D-tagatosa, isomerasa que tiene al menos una identidad de secuencia del 70% con la secuencia de SEQ ID NO:2.An L-arabinose isomerase capable of isomerizing D-galactose in D-tagatose, isomerase having at least 70% sequence identity with the sequence of SEQ ID NO: 2.
Description
Una isomerasa termoestable y su uso, en particular para producir tagatosa.A thermostable isomerase and its use, in particular to produce tagatose.
La presente invención se encuentra dentro del campo de enzimas industriales, en particular, de enzimas para la síntesis de azúcares tales como D-tagatosa.The present invention is within the field of industrial enzymes, in particular, enzymes for synthesis of sugars such as D-tagatose.
La D-tagatosa es el cetoazúcar que corresponde a la D-galactosa de aldoazúcar. Tiene un valor endulzante equivalente a la sacarosa pero de digestión pobre y se ha descubierto que es un endulzante útil, seguro, de bajas calorías y no cariogénico, para productos alimenticios, para los que existe una gran demanda.D-tagatose is keto sugar which corresponds to aldoazúcar D-galactose. It has a sweetener value equivalent to sucrose but of poor digestion and has been discovered to be a useful sweetener, Safe, low calorie and non-cariogenic, for products food, for which there is a great demand.
La D-tagatosa puede sintetizarse químicamente, por ejemplo, de acuerdo con lo descrito en la US 5.002.612.D-tagatose can be synthesized chemically, for example, as described in the US 5,002,612.
Se han descrito métodos enzimáticos para la producción de D-tagatosa. Yamanaka y Wood (1966) enumeran un número de bacterias de ácido láctico que proporcionan una enzima L-arabinosa-isomerasa capaz de producir cetosas a partir de L-arabinosa, D-galactosa o D-fucosa.Enzymatic methods have been described for D-tagatose production. Yamanaka and Wood (1966) list a number of lactic acid bacteria that provide an enzyme L-arabinose-isomerase capable of producing ketoses from L-arabinose, D-galactose or D-fucose.
El documento US 6.057.135 divulga un procedimiento para la fabricación de D-tagatosa, donde se hidroliza un permeato de galactosa para obtener un hidrolisado de lactosa que comprende D-galactosa y glucosa. El hidrolizado es fermentado para convertir la glucosa en etanol que es posteriormente retirada y la solución restante de D-galactosa es sometida a isomerización enzimática con una L-arabinosa-isomerasa para obtener D-tagatosa. Las preparaciones de L-arabinosa-isomerasa utilizadas son extractos de biomasa cruda de Lactobacillus pentosus, Bacillus amyloloquefaciens o Arthrobacter spp.US 6,057,135 discloses a process for the manufacture of D-tagatose, where a galactose permeate is hydrolyzed to obtain a lactose hydrolyzate comprising D-galactose and glucose. The hydrolyzate is fermented to convert glucose into ethanol which is subsequently removed and the remaining D-galactose solution is subjected to enzymatic isomerization with an L-arabinose isomerase to obtain D-tagatose. The L-arabinose-isomerase preparations used are crude biomass extracts of Lactobacillus pentosus, Bacillus amyloloquefaciens or Arthrobacter spp.
El documento WO 00/68397 describe el uso de E. coli preparada para una expresión mejorada de L-arabinosa-isomerasa de E. coli para la producción de tagatosa.WO 00/68397 describes the document using E. coli prepared for enhanced expression of L-arabinose isomerase from E. coli for the production of tagatose.
El documento WO 02/50282 describe el aislamiento de una L-arabinosa-isomerasa termoestable capaz de isomerizar galactosa. La secuencia de aminoácido de esta enzima se relaciona estrechamente con las secuencias de L-arabinosa-isomerasa previamente conocidas, especialmente Bacillus stearothermophilus. WO 02/50282 describes the isolation of a thermostable L-arabinose isomerase capable of isomerizing galactose. The amino acid sequence of this enzyme is closely related to the previously known L-arabinose-isomerase sequences, especially Bacillus stearothermophilus.
No obstante, hasta la fecha, los métodos
enzimáticos para la producción de tagatosa no han sido utilizados
comercialmente. Existe una gran demanda de nuevos y mejorados
endulzantes bajos en calorías y, en consecuencia, se necesitan en
la industria, métodos mejorados para la producción de tagatosa con
un rendimiento y eficacia
superiores.However, to date, enzymatic methods for the production of tagatose have not been used commercially. There is a high demand for new and improved low-calorie sweeteners and, consequently, improved methods for the production of tagatose with performance and efficiency are needed in the industry
superior.
En la actualidad, se ha aislado y caracterizado una enzima nueva activa en L-arabinosa-isomerasa. Esta enzima exhibe una baja similitud de secuencia al compararla con todas las secuencias de L-arabinosa-isomerasa conocidas en la actualidad, incluyendo aquellas divulgadas en los documentos WO 00/68397 y en la WO 02/50282. La enzima de la actual invención tiene una especificidad de sustrato diferente en comparación con las L-arabinosa-isomerasas del estado de la técnica, y es una aldosa-isomerasa versátil capaz de isomerizar estructuralmente aldosas relacionadas. La enzima puede obtenerse a partir de una fuente microbiana termófila y puede ser utilizada, así, a altas temperaturas de operación.At present, it has been isolated and characterized a new enzyme active in L-arabinose isomerase. This enzyme exhibits a low sequence similarity when compared to all L-arabinose-isomerase sequences known today, including those disclosed in the WO 00/68397 and in WO 02/50282. The enzyme of the current invention has a different substrate specificity in comparison with L-arabinose-isomerases from the state of technique, and it is a versatile aldose-isomerase capable of structurally isomerizing related aldoses. The enzyme can be obtained from a thermophilic microbial source and can be used, thus, at high operating temperatures.
En un primer aspecto de la invención, se proporciona una L-arabinosa-isomerasa, capaz de isomarizar D-galactosa en D-tagalosa, cuya isomerasa tiene, al menos, un 70% de identidad con la secuencia de SEQ IDNO:2.In a first aspect of the invention, provide a L-arabinose-isomerase, capable of isomarizar D-galactose in D-tagalose, whose isomerase has at least 70% Identity with the sequence of SEQ IDNO: 2.
Un segundo aspecto de la invención es la provisión de ácido nucleico que codifica esta L-arabinosa-isomerasa o su fragmento activo de L-arabinosa-isomerasa.A second aspect of the invention is the provision of nucleic acid encoding this L-arabinose isomerase or its active fragment of L-arabinose isomerase.
En otro aspecto, se proporciona una construcción de ácido nucleico que comprende el ácido nucleico anterior.In another aspect, a construction is provided of nucleic acid comprising the above nucleic acid.
En otro aspecto de la invención, se proporciona una célula que se transforma con la construcción o con el ácido nucleico anteriormente mencionados.In another aspect of the invention, it is provided a cell that is transformed with the construction or with the acid nucleic mentioned above.
En otro aspecto, se proporciona un método para convertir una aldosa en una cetosa, que comprende poner en contacto la aldosa con la isomerasa de la invención y mantener la reacción bajo condiciones donde al menos 1% en peso de la aldosa se convierta en la cetosa correspondiente.In another aspect, a method is provided for converting an aldose into a ketose, which comprises contacting the aldose with the isomerase of the invention and maintain the reaction under conditions where at least 1% by weight of the tile is become the corresponding ketose.
La invención proporciona, en otro aspecto, un método para la producción de L-arabinosa-isomerasa, que comprende transformar una célula con el ácido nucleico de la invención y el enlace operable del mismo a señales de expresión apropiadas que dirigen la expresión de la isomerasa y, opcionalmente, secuencias que dirigen la secreción de la isomerasa, propagar dicha célula transformada y cosechar las células de progenie que contienen la isomerasa o, si es secretada al medio, la isomerasa excretada.The invention provides, in another aspect, a method for the production of L-arabinose isomerase, which comprises transform a cell with the nucleic acid of the invention and the operable link thereof to appropriate expression signals that direct isomerase expression and, optionally, sequences which direct the secretion of isomerase, propagate said cell transformed and harvest progeny cells that contain the isomerase or, if secreted into the medium, isomerase excreted.
En otro aspecto, la invención proporciona una composición que comprende la isomerasa de la invención en otra forma inmovilizada.In another aspect, the invention provides a composition comprising the isomerase of the invention in another immobilized form
De acuerdo con lo establecido con anterioridad, la invención aquí descrita proporciona una enzima activa de L-arabinosa-isomerasa o su fragmento activo de isomerasa, que deriva de una especie Thermoanaerobacter.In accordance with the foregoing, the invention described herein provides an active enzyme of L-arabinose isomerase or its active isomerase fragment, which is derived from a Thermoanaerobacter species.
La L-arabinosa-isomerasa (EC 5.3.1.4) también conocida como L-arabinosa-cetol-isomerasa, se encuentra en la clase general de oxidorreductasas intramoleculares y más específicamente, en el grupo de aldosa-isomerasas, que son capaces de inter-convertir aldosas en sus cetosas correspondientes. La L-arabinosa-isomerasa es clasificada y denominada según su capacidad para convertir la aldosa-L-arabinosa en su correspondiente cetosa, L-ribulosa.The L-arabinose isomerase (EC 5.3.1.4) also known as L-arabinose-ketol-isomerase, It is in the general class of oxidoreductases intramolecular and more specifically, in the group of aldose-isomerases, which are capable of inter-convert aldosas in your ketoses corresponding. The L-arabinose isomerase is classified and named according to its ability to convert the aldosa-L-arabinose in its corresponding ketose, L-ribulose.
El término "aislada", tal como se utiliza en la presente memoria, hace referencia a que el material es retirado de su ambiente original (por ejemplo, el ambiente natural donde el material se presenta naturalmente). Por ejemplo, un polinucleótido o un polipéptido, mientras se encuentra presente en un organismo vivo, no está aislado, pero el mismo polinucleótido o polipéptido, que es separado de parte o de todos los materiales coexistentes en el sistema natural, está aislado. Dichos polinucleótidos podrían ser parte de un vector y/o dichos polinucleótidos o polipéptidos podrían ser parte de una composición, y aún ser aislados en el sentido que el vector o la composición no es parte del ambiente natural.The term "isolated", as used herein, refers to the material being removed from its original environment (for example, the natural environment where the material occurs naturally). For example, a polynucleotide or a polypeptide, while present in a living organism, is not isolated, but the same polynucleotide or polypeptide, which is separated from part or all of the materials coexisting in the natural system, it is isolated. Sayings polynucleotides could be part of a vector and / or said polynucleotides or polypeptides could be part of a composition, and still be isolated in the sense that the vector or the Composition is not part of the natural environment.
El género Thermoanaerobacter incluye un rango de especies como T. acetoethylicus, T. brockii, T. cellulolyticus, T. ethanolicus, T. finnii, T. italicus, T. kivui, T. mathranii, T. siderophilus, T. subterraneus, T. sulfurophilus, T. thermohydrosulfuricus y T. wiegelii. En una realización preferida, a la que ahora se hace referencia, la enzima isomerasa o el fragmento activo de la misma se obtiene de la especie T. mathranii, de la que puede obtenerse una cepa útil (DSMZ 11426) a partir de Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ).The genus Thermoanaerobacter includes a range of species such as T. acetoethylicus, T. brockii, T. cellulolyticus, T. ethanolicus, T. finnii, T. italicus, T. kivui, T. mathranii, T. siderophilus, T. subterraneus, T sulfurophilus, T. thermohydrosulfuricus and T. wiegelii . In a preferred embodiment, to which reference is now made, the isomerase enzyme or the active fragment thereof is obtained from the species T. mathranii , from which a useful strain (DSMZ 11426) can be obtained from Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ).
La isomerasa de la invención tiene, preferiblemente, al menos una de las siguientes características: (i) una actividad óptima a una temperatura en el intervalo de 40 a 95ºC, preferentemente, en el intervalo de 60 a 80ºC, como en el intervalo de 60 a 70ºC, incluyendo aproximadamente 65ºC; (ii) una actividad óptima en un pH en el intervalo de 6 a 9, preferentemente, en el intervalo de 7 a 9, como en el intervalo de aproximadamente pH 7 a 8; y (iii) es capaz de isomerizar al menos una aldopentosa o al menos una aldohexosa. Las aldopentosas son aldosas de 5 carbonos que incluyen, por ejemplo, arabinosa, ribosa, xilosa, y lixosa, mientras que las aldohexosas son azúcares de seis carbonos, incluyendo alosa, altrosa, glucosa, manosa, gulosa, idosa, galactosa, y talosa. Más preferentemente, la isomerasa tiene al menos dos de estas características y más preferiblemente, las tres características juntas. Las temperaturas de reacción de 60ºC y superiores, como al menos 65ºC, 70ºC, 75ºC u 80ºC, son preferidas, al minimizarse el riesgo de contaminación a causa del desarrollo de otros microorganismos a dichas temperaturas elevadas. Además, las altas temperaturas permiten el uso de concentraciones superiores de sustrato debido a una mayor solubilidad del sustrato. La isomerasa preferida de T. mathranii tiene un excelente perfil de temperatura en este aspecto, con una actividad máxima de aproximadamente 65º C, y se retiene aproximadamente o más de 70% de la actividad máxima en el intervalo de temperatura de aproximadamente 60ºC a 75ºC.The isomerase of the invention preferably has at least one of the following characteristics: (i) an optimal activity at a temperature in the range of 40 to 95 ° C, preferably, in the range of 60 to 80 ° C, as in the range of 60 at 70 ° C, including about 65 ° C; (ii) an optimal activity at a pH in the range of 6 to 9, preferably, in the range of 7 to 9, as in the range of about pH 7 to 8; and (iii) is capable of isomerizing at least one aldopentose or at least one aldohexose. Aldopentoses are 5-carbon aldoses that include, for example, arabinose, ribose, xylose, and lyxose, while aldohexoses are six-carbon sugars, including alose, altrose, glucose, mannose, gulose, idose, galactose, and talose. More preferably, the isomerase has at least two of these characteristics and more preferably, all three characteristics together. Reaction temperatures of 60 ° C and higher, such as at least 65 ° C, 70 ° C, 75 ° C or 80 ° C, are preferred, as the risk of contamination is minimized due to the development of other microorganisms at said elevated temperatures. In addition, high temperatures allow the use of higher substrate concentrations due to a greater solubility of the substrate. The preferred isomerase of T. mathranii has an excellent temperature profile in this regard, with a maximum activity of approximately 65 ° C, and approximately or more than 70% of the maximum activity is retained in the temperature range of approximately 60 ° C to 75 ° C.
Otras ventajas de la isomerización a una temperatura alta son:Other advantages of isomerization at a high temperature are:
(i) que el equilibrio entre aldosa y cetosa cambia hacia cetosa a temperaturas superiores. (Para L-arabinosa-isomerasa fra Lactobacillus plantarum, se ha informado que la cantidad de cetosa a 10ºC, 25ºC o 53ºC es de 10%, 14% y 16% respectivamente (Heath, E. C. Horecker, B. L. Smyrniotis, P. Z. y Takagi, Y. (1958) J. Biol. Chem. 231:1031-1037);(i) that the balance between aldose and ketosis changes to ketosis at higher temperatures. (For L-arabinosa-isomerase fra Lactobacillus plantarum , it has been reported that the amount of ketose at 10 ° C, 25 ° C or 53 ° C is 10%, 14% and 16% respectively (Heath, EC Horecker, BL Smyrniotis, PZ and Takagi, Y . (1958) J. Biol. Chem. 231: 1031-1037);
(ii) la especificidad del sustrato hacia la D-galactosa es superior respecto de la L-arabinosa a temperaturas superiores. La Patente de EE.UU. Nº 6.057.135 8 (Krafts Foods, Inc., Ejemplo 5) divulga L-arabinosa-isomerasa fra Lactobacillus pentosus con una especificidad relativa para L-ara:D-gal de 300:1 a 35ºC y 85:1 a 60ºC.(ii) the specificity of the substrate towards D-galactose is higher with respect to L-arabinose at higher temperatures. U.S. Pat. No. 6,057,135 8 (Krafts Foods, Inc., Example 5) discloses L-arabinose-isomerase fra Lactobacillus pentosus with a relative specificity for L-ara: D-gal of 300: 1 at 35 ° C and 85: 1 at 60 ° C.
En comparación con las L-arabinosa-isomerasas conocidas, las isomerasas de la presente invención parecen ser aldosa-isomerasas relativamente versátiles, capaces de isomerizar muchas aldosas estructuralmente relacionadas. Preferentemente, las isomerasas de la invención son capaces de isomerizar al menos todas las siguientes: L-arabinosa, D-galactosa y D-fucosa. Estas tres aldosas tienen la misma configuración quiral de C-1 a C-4. En particular, para la producción de D-tagatosa, resultan muy convenientes las isomerasas capaces de una isomerización eficiente de D-galactosa.In comparison with the Known L-arabinose isomerases, the isomerases of the present invention appear to be relatively versatile, capable aldose-isomerases of isomerizing many structurally related aldoses. Preferably, the isomerases of the invention are capable of Isomerize at least all of the following: L-arabinose, D-galactose and D-fucose. These three aldosas have the same chiral configuration from C-1 to C-4. In particular, for the production of D-tagatose, isomerases capable of a efficient isomerization of D-galactose.
La isomerasa de la invención deriva de una fuente termófila, que la dota de una gran actividad a temperaturas elevadas, como los intervalos de temperaturas comprendidos entre los mencionados con anterioridad, durante períodos prolongados, y una buena estabilidad frente a desnaturalización térmica. Se contempla que las L-arabinosa-isomerasas relacionadas de otras fuentes termófilas, tendrán características adecuadas similares.The isomerase of the invention derives from a thermophilic source, which gives it great activity at temperatures high, such as temperature ranges between mentioned above, for prolonged periods, and a Good stability against thermal denaturation. Is contemplated that L-arabinose isomerases related from other thermophilic sources, they will have characteristics similar suitable.
La actividad de la enzima respecto a L-arabinosa y D-galactosa puede probarse de acuerdo con lo descrito en el Ejemplo 2 o a través de otros métodos aplicables conocidos en el estado de la técnica. La especificidad puede definirse aún más a través de mediciones de actividad comparativas para otros sustratos de aldosa.The activity of the enzyme with respect to L-arabinose and D-galactose can be tested in accordance with that described in Example 2 or through other applicable methods known in the state of the art. The specificity can be further defined through measurements of Comparative activity for other aldose substrates.
En una realización de la invención, la isomerasa
tiene la secuencia de aminoácido de SEQ ID NO:2 de la presente
memoria. La invención también abarca variantes y derivados de la
misma, incluyendo variantes y derivados que tienen una actividad de
isomerasa y que muestran al menos una identidad de secuencia del 70%
respecto de esta secuencia, incluyendo al menos una identidad de
secuencia de 75% o de al menos 80%, como una identidad de secuencia
de al menos 90%, y preferentemente, una identidad de secuencia de al
menos 95% o del 97%. Por ejemplo, pueden obtenerse variantes y
derivados útiles por aislamiento de especies microbianas como
aquellas mencionadas con anterioridad y/o por modificación genética
de organismos que producen naturalmente isomerasas como por
mutagénesis dirigidas a lugar, o por ejemplo, por inserción de una
secuencia que codifica un marcador de afinidad como un
marcador
His.In one embodiment of the invention, the isomerase has the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 herein. The invention also encompasses variants and derivatives thereof, including variants and derivatives that have an isomerase activity and that show at least a 70% sequence identity with respect to this sequence, including at least a 75% sequence identity or at least 80%, as a sequence identity of at least 90%, and preferably, a sequence identity of at least 95% or 97%. For example, useful variants and derivatives can be obtained by isolation of microbial species such as those mentioned above and / or by genetic modification of naturally occurring isomerase organisms such as by site-directed mutagenesis, or for example, by insertion of a sequence encoding a affinity marker as a marker
His.
Entre los métodos alternativos para proporcionar variantes de la invención se incluyen métodos disponibles de redistribución de genes, por ejemplo, de acuerdo con lo descrito en Merz y colaboradores, Biochemistry (2000), 39:880-889; J. Minshull Curr. Op. Chem. Biol. (1999) 3:284-290; WO 95/22625 (Affymax Technologies N.V.); US 6.291.165 (Novo Nordisk A/S); US 6.132.970 y US 6.372.497 (Maxygen, Inc.). En resumen, las técnicas de redistribución de genes implican la proporción de una pluralidad de genes o de secuencias de ácido nucleico relacionados (por ejemplo, secuencias que codifican L-arabinosa-isomerasas diferentes de la presente invención) que son fragmentadas de forma aleatoria y luego son vueltas a unir por una reacción en la que fragmentos homólogos (o regiones conservadas de fragmentos heterólogos) actúan como cebadores entre sí. Las variantes obtenidas de esta forma pueden ser rastreadas y seleccionadas en base a diferentes criterios. Las técnicas de redistribución son particularmente beneficiosas en este aspecto, ya que permiten la combinación de diferentes propiedades convenientes de diversas proteínas relacionadas. Respecto de las isomerasas de la presente invención, las propiedades deseadas que pueden combinarse por técnicas de redistribución y que pueden ser rastreadas con métodos aplicables del estado de la técnica, incluyen especificidad de sustrato, estabilidad de temperatura, temperatura óptima, estabilidad a largo plazo, eficacia de expresión en un organismo huésped seleccionado, etc.Alternative methods of providing variants of the invention include available methods of gene redistribution, for example, as described in Merz et al., Biochemistry (2000), 39: 880-889; J. Minshull Curr. Op. Chem. Biol. (1999) 3: 284-290; WO 95/22625 (Affymax Technologies NV); US 6,291,165 (Novo Nordisk A / S); US 6,132,970 and US 6,372,497 (Maxygen, Inc.). In summary, gene redistribution techniques involve the proportion of a plurality of genes or related nucleic acid sequences (eg, sequences encoding different L-arabinose isomerases of the present invention) that are randomly fragmented and then they are reattached by a reaction in which homologous fragments (or conserved regions of heterologous fragments) act as primers with each other. Variants obtained in this way can be tracked and selected based on different criteria. Redistribution techniques are particularly beneficial in this regard, since they allow the combination of different convenient properties of various related proteins. With respect to the isomerases of the present invention, the desired properties that can be combined by redistribution techniques and that can be traced with applicable methods of the prior art, include substrate specificity, temperature stability, optimum temperature, long term stability, effectiveness of expression in a selected host organism, etc.
La "identidad de secuencia", de la forma utilizada en la presente memoria, se calcula en base a una secuencia de referencia, (que en esta instancia es la secuencia de SEQ ID NO:2). Los algoritmos para análisis de secuencia son conocidos en el estado de la técnica, como por ejemplo, BLAST, descrito en Altschul y colaboradores, J. Mol. Biol., (1990) 215:403-10. Por lo general, se utilizarán para alineación, los parámetros por defecto con respecto a, por ejemplo, una "matriz de calificación" y una "penalidad para cada hueco".The "sequence identity", as used herein, is calculated based on a reference sequence, (which in this instance is the sequence of SEQ ID NO: 2). Algorithms for sequence analysis are known in the state of the art, such as BLAST, described in Altschul et al., J. Mol. Biol. , (1990) 215: 403-10. In general, the default parameters with respect to, for example, a "rating matrix" and a "penalty for each gap" will be used for alignment.
Como se muestra en la Figura 2 y descrito en el Ejemplo 1, la isomerasa actualmente preferida de la invención derivada de Thermoanaerobacter mathranii, tiene una identidad de secuencia baja (de entre 24% y 30%) con L-arabinosa-isomerasas conocidas, donde todas muestran una identidad significativamente superior entre sí. Esto puede explicar diferencias en las características cinéticas y la especificidad de las L-arabinosa-isomerasas del estado de la técnica anterior.As shown in Figure 2 and described in Example 1, the currently preferred isomerase of the invention derived from Thermoanaerobacter mathranii , has a low sequence identity (between 24% and 30%) with known L-arabinose isomerases, where all show a significantly superior identity to each other. This may explain differences in the kinetic characteristics and the specificity of the L-arabinose isomerases of the prior art.
Las isomerasas preferidas de la presente invención tienen un peso molecular comprendido en el intervalo de aproximadamente 50-60 kDa, y más preferentemente, en el intervalo de aproximadamente 52-55 kDa, incluyendo aproximadamente 53 kDa. No obstante, los fragmentos activos de isomerasa de la invención pueden tener un peso molecular significativamente menor ya que pueden contener solamente una pequeña porción de una secuencia de isomerasa de tipo salvaje necesaria para un pliegue correcto del polipéptido y la retención de actividad.Preferred isomerases herein invention have a molecular weight in the range of about 50-60 kDa, and more preferably, in the range of about 52-55 kDa, including approximately 53 kDa. However, the fragments Isomerase assets of the invention may have a molecular weight significantly less since they can contain only one small portion of a wild-type isomerase sequence necessary for a correct fold of the polypeptide and retention of activity.
La L-arabinosa-isomerasa altamente preferida derivada de T. mathranii tiene un peso molecular de longitud completa de 53 kDa calculado en base de la secuencia de la Tabla 1.2 de la presente memoria (SEQ ID NO:2). Muchas de las isomerasas preferidas de la invención, incluyendo la isomerasa de longitud completa derivada de T. mathranii, tienen una estructura cuaternaria tetramérica en estado activo, nativo de la proteína.The highly preferred L-arabinose isomerase derived from T. mathranii has a full length molecular weight of 53 kDa calculated based on the sequence of Table 1.2 herein (SEQ ID NO: 2). Many of the preferred isomerases of the invention, including the full-length isomerase derived from T. mathranii , have an active-state tetrameric quaternary structure, native to the protein.
La expresión "fragmento activo de isomerasa" hace referencia, por lo general, a cualquier fragmento de una isomerasa de la presente invención, fragmento que es suficientemente grande como para conservar sustancialmente la actividad de la isomerasa de la que se obtiene. Si bien el sitio activo de arabinosa-isomerasa no ha sido caracterizado en detalle, una comparación con la L-fucosa-isomerasa relacionada de E. coli (Seemann, J. E. y Schulz, G. E. (1997) J. Mol. Biol. 273:256-268) sugiere restos de sitio activo. Glu 337 y Asp 361 son restos catalíticamente activos en la fucosa-isomerasa. Una alineación de L-arabinosa-isomerasas conocidas con la L-fucosa-isomerasa muestra que el resto de ácido glutámico se conserva entre todas las L-arabinosa-isomerasas conocidas (Glu 300 en la L-arabinosa-isomerasa T. mathranii). El ácido aspártico se conserva en todas las secuencias de L-arabinosa-isomerasa salvo en la secuencia de T. mathranii, que tiene una metionina en la posición correspondiente (Met 324) (véase Figura 4). Los restos que pueden actuar como donantes de protones son Asp 318, Glu 323 y Asp 328. En consecuencia, se postula que los restos clave del sitio activo se encuentran ubicados en la región comprendida entre restos de aminoácido 290-340. Así, fragmentos activos de isomerasa útiles de la presente invención pueden incluir un fragmento de secuencia que comprende restos dentro de la región de 150-462, o por ejemplo, 200-460, como, dentro de la región de 200-400, o 250-400, incluyendo la región de 270-350, o la región de 290-340. Un fragmento como ese puede ser plegado en una estructura cuaternaria tetramérica, o posiblemente conservar su actividad, pero con una estructura cuaternaria diferente, por ejemplo, una estructura monomérica. Además, en ciertas realizaciones, un fragmento de isomerasa de la invención puede ser combinado con otras secuencias de polipéptidos adecuadas que no impiden la actividad de isomerasa sino que pueden mejorar las características como, por ejemplo, sobre expresión, solubilidad y/o estabilidad, para obtener una proteína quimérica que comprende una secuencia de fragmento activo de isomerasa.The term "active isomerase fragment" generally refers to any fragment of an isomerase of the present invention, a fragment that is large enough to substantially retain the activity of the isomerase from which it is obtained. While the active arabinose-isomerase site has not been characterized in detail, a comparison with the related L-fucose-isomerase of E. coli (Seemann, JE and Schulz, GE (1997) J. Mol. Biol. 273: 256 -268) suggests remains of active site. Glu 337 and Asp 361 are catalytically active residues in fucose-isomerase. An alignment of known L-arabinose isomerases with L-fucose isomerase shows that the rest of glutamic acid is conserved among all known L-arabinose isomerases (Glu 300 in L-arabinose isomerase T. mathranii ). Aspartic acid is conserved in all L-arabinose-isomerase sequences except in the sequence of T. mathranii , which has a methionine in the corresponding position (Met 324) (see Figure 4). The residues that can act as proton donors are Asp 318, Glu 323 and Asp 328. Accordingly, it is postulated that the key residues of the active site are located in the region between amino acid residues 290-340. Thus, useful isomerase active fragments of the present invention may include a sequence fragment comprising residues within the region of 150-462, or for example, 200-460, such as, within the region of 200-400, or 250 -400, including the 270-350 region, or the 290-340 region. A fragment like that can be folded into a tetrameric quaternary structure, or possibly retain its activity, but with a different quaternary structure, for example, a monomeric structure. In addition, in certain embodiments, an isomerase fragment of the invention may be combined with other suitable polypeptide sequences that do not prevent isomerase activity but may improve characteristics such as, for example, on expression, solubility and / or stability, for obtaining a chimeric protein comprising an active fragment sequence of isomerase.
En realizaciones útiles, la isomerasa de la invención tiene un valor K_{m} para D-galactosa en el intervalo de aproximadamente 50 a 350 mM, incluyendo el intervalo de 100 a 200 mM. Determinadas isomerasas preferidas de la invención tienen un K_{m} similar también para L-arabinosa. En Stryer, L Biochemistry, 3ra edición, Freeman, Nueva York, 1988, puede encontrarse una definición clásica de K_{m}. Se deduce que la afinidad de sustrato de dichas isomerasas preferidas para D-galactosa en comparación con L-arabinosa, es alta respecto de las isomerasas del estado de la técnica anterior, tal como se muestra en la Figura 2.1 de la presente memoria.In useful embodiments, the isomerase of the invention has a K m value for D-galactose in the range of about 50 to 350 mM, including the range of 100 to 200 mM. Certain preferred isomerases of the invention have a similar K m also for L-arabinose. A classic definition of K_ {m} can be found in Stryer, L Biochemistry , 3rd edition, Freeman, New York, 1988. It follows that the substrate affinity of said preferred isomerases for D-galactose compared to L-arabinose, is high with respect to the prior art isomerases, as shown in Figure 2.1 of the present specification.
Preferiblemente, la isomerasa según la invención tiene una actividad de D-galactosa que es de aproximadamente 10 al 50% de su actividad de L-arabinosa, como por ejemplo, en el intervalo de entre 15-30%, incluyendo el intervalo de 20-25%.Preferably, the isomerase according to the invention It has a D-galactose activity that is approximately 10 to 50% of its activity of L-arabinose, as for example, in the range of between 15-30%, including the range of 20-25%
Las isomerasas preferidas de la presente invención muestran una alta eficacia de conversión para la conversión de D-galactosa en D-tagatosa, incluso en altas concentraciones de sustrato. Preferentemente, las isomerasas de la invención son capaces de convertir al menos 20% en peso de D-galactosa que está en una concentración de aproximadamente 30% en peso o superior en el medio de reacción, en un período de 24 horas.Preferred isomerases herein invention show high conversion efficiency for the D-galactose conversion in D-tagatose, even at high concentrations of substratum. Preferably, the isomerases of the invention are able to convert at least 20% by weight of D-galactose that is in a concentration of about 30% by weight or greater in the reaction medium, in A period of 24 hours.
La invención proporciona, en otro aspecto, una L-arabinosa-isomerasa capaz de isomerizar D-galactosa en D-tagatosa, isomerasa que tiene una identidad de secuencia de al menos 70% respecto de la secuencia de SEQ ID NO:2 de la presente memoria, o superior, como r una identidad de secuencia de al menos 80% o de al menos 90% de identidad de secuencia con SEQ ID NO:2 y un fragmento activo de isomerasa de la misma. realizaciones particulares, la isomerasa puede tener una identidad de secuencia aún superior respecto de SEQ ID NO:2, como una identidad de secuencia de al menos 95% o de al menos 97%.The invention provides, in another aspect, a L-arabinose isomerase capable of isomerize D-galactose in D-tagatose, isomerase that has an identity of sequence of at least 70% with respect to the sequence of SEQ ID NO: 2 of the present memory, or higher, as r a sequence identity at least 80% or at least 90% sequence identity with SEQ ID NO: 2 and an active isomerase fragment thereof. particular embodiments, the isomerase can have an identity of even higher sequence than SEQ ID NO: 2, as a sequence identity of at least 95% or at least 97%.
Preferentemente, la isomerasa deriva de un organismo termófilo, como una bacteria que está taxonómicamente relacionada con el género Thermoanaeorobacter.Preferably, the isomerase is derived from a thermophilic organism, such as a bacterium that is taxonomically related to the genus Thermoanaeorobacter .
En otro aspecto, la invención proporciona un ácido nucleico que codifica una L-arabinosa-isomerasa o un fragmento activo de L-arabinosa-isomerasa de la misma, seleccionada entre el grupo que consiste en: (i) un ácido nucleico de tipo salvaje aislado de una especie Thermoanaerobacter y (ii) una secuencia de ácido nucleico capaz de hibridarse con la secuencia anteriormente mencionada bajo condiciones restrictivas.In another aspect, the invention provides a nucleic acid encoding an L-arabinose isomerase or an active L-arabinose isomerase fragment thereof, selected from the group consisting of: (i) an isolated wild type nucleic acid of a Thermoanaerobacter species and (ii) a nucleic acid sequence capable of hybridizing with the sequence mentioned above under restrictive conditions.
La expresión "ácido nucleico", de la forma utilizada en la presente memoria, incluye ADN (por ejemplo, ADN genómico o cDNA), y ARN, con nucleótidos naturales como que contengan una o más bases modificadas. Así, los ADN o los ARN con estructuras principales modificadas para estabilidad o por otras razones, son ácido nucleicos de la forma definida en la presente memoria. Además, los ADN o los ARN que comprenden bases inusuales, como inosina, o bases modificadas, como bases tritiladas, sólo para nombrar dos ejemplos, son ácidos nucleicos de la forma que se utiliza la expresión en la presente memoria.The expression "nucleic acid", of the form used herein, includes DNA (e.g., DNA genomic or cDNA), and RNA, with natural nucleotides such as contain one or more modified bases. Thus, DNA or RNA with main structures modified for stability or by others reasons, they are nucleic acids as defined herein memory. In addition, DNAs or RNAs that comprise unusual bases, as inosine, or modified bases, as tritilated bases, only for name two examples, they are nucleic acids the way you use the expression herein.
La expresión "condiciones restrictivas" en este contexto, hace referencia a las condiciones generales de alta restrictividad. El término "restrictividad" es conocido en el estado de la técnica y se utiliza en referencia a las condiciones (temperatura, fuerza iónica y presencia de otros compuestos como disolventes orgánicos) bajo las cuales se llevan a cabo la hibridación del ácido nucleico. Con condiciones de "alta restrictividad" solo se producirá un pareado de base de ácido nucleico entre fragmentos de ácido nucleico que tienen una alta frecuencia de complementariedad de bases, en comparación con condiciones de restrictividad "débiles" o "bajas".The expression "restrictive conditions" in This context refers to the general conditions of discharge restrictivity The term "restrictivity" is known in the state of the art and is used in reference to the conditions (temperature, ionic strength and presence of other compounds such as organic solvents) under which the nucleic acid hybridization. With conditions of "high restrictivity "only acid base couplet will occur nucleic among nucleic acid fragments that have a high base complementarity frequency, compared to "weak" or "low" restrictive conditions.
Como ejemplo, las condiciones de hibridación de alta restrictividad incluyen (1) emplear una baja fuerza iónica y una alta temperatura de lavado, como NaCl 0,015 M/citrato de sodio 0,0015 M, pH 7,0 (0,1 x SSC) con 0,1% de dodecilsulfato de sodio (SDS) a 50ºC; (2) emplear, durante la hibridación, formamida 50% (v/v) con solución de Denhardt 5x(0,1% en peso/volumen), albúmina de suero bovino altamente purificada/0,1% (en peso/volumen) de Ficoll/0,1% (en peso/volumen) polivinil-pirrolidona), 50 mM de tampón de fosfato de sodio con un pH de 6,5 y 5xSSC a 42ºC; o (3) emplear la hibridización con formamida al 50%, 5xSSC, 50 mM de fosfato de sodio (pH de 6,8), 0,1% de pirofosfato de sodio, solución de Denhardt 5x, ADN de esperma de salmón sonicado (50 \mug/ml), 0,1% de SDS, y 10% de sulfato de dextrano a 42ºC con lavados a 42ºC en 0,2xSSC y 0,1% de SDS.As an example, the hybridization conditions of high restrictivity include (1) employing a low ionic strength and a high wash temperature, such as 0.015 M NaCl / sodium citrate 0.0015 M, pH 7.0 (0.1 x SSC) with 0.1% sodium dodecyl sulfate (SDS) at 50 ° C; (2) use 50% formamide during hybridization (v / v) with 5x Denhardt solution (0.1% by weight / volume), highly purified bovine serum albumin / 0.1% (by weight / volume) Ficoll / 0.1% (by weight / volume) polyvinyl pyrrolidone), 50 mM phosphate buffer of sodium with a pH of 6.5 and 5xSSC at 42 ° C; or (3) use the 50% formamide hybridization, 5xSSC, 50 mM sodium phosphate (pH 6.8), 0.1% sodium pyrophosphate, 5x Denhardt solution, Sonic salmon sperm DNA (50 µg / ml), 0.1% SDS, and 10% dextran sulfate at 42 ° C with washings at 42 ° C in 0.2xSSC and 0.1% SDS.
En una realización preferida, el ácido nucleico que codifica dicha isomerasa o fragmento de la misma es el ácido nucleico de tipo salvaje aislado de Thermoanaerobacter mathranii, o una secuencia capaz de hibridarse con dicha secuencia bajo condiciones restrictivas.In a preferred embodiment, the nucleic acid encoding said isomerase or fragment thereof is wild-type nucleic acid isolated from Thermoanaerobacter mathranii , or a sequence capable of hybridizing with said sequence under restrictive conditions.
En una realización útil, el ácido nucleico de la invención, codifica el aminoácido de SEQ ID NO:2 de la presente memoria, o un fragmento de isomerasa activa de la misma. No obstante, también se abarcan en la presente invención, los ácidos nucleicos que codifican polipéptidos de isomerasa activa con una alta identidad de secuencia a SEQ ID NO:2 o una parte de isomerasa activa de la misma, como con una identidad de secuencia de acuerdo con lo definido con anterioridad de al menos 75%, y preferentemente, del 90% o más, como 95% o 97%.In a useful embodiment, the nucleic acid of the invention encodes the amino acid of SEQ ID NO: 2 of the present memory, or an active isomerase fragment thereof. Do not However, acids are also encompassed in the present invention. nucleicides encoding active isomerase polypeptides with a high sequence identity to SEQ ID NO: 2 or a part of isomerase active of it, as with an agreement sequence identity as previously defined at least 75%, and preferably, 90% or more, such as 95% or 97%.
Una realización particular de la invención proporcionan el ácido nucleico que tiene la secuencia de SEQ ID:1, que se muestra en la Tabla 1.1, o un fragmento de la misma que se codifica para un fragmento activo de isomerasa.A particular embodiment of the invention provide the nucleic acid that has the sequence of SEQ ID: 1, shown in Table 1.1, or a fragment thereof that is encodes for an active isomerase fragment.
En otro aspecto muy útil, la invención proporciona una construcción de ácido nucleico que comprende el ácido nucleico de la invención. Una "construcción de ácido nucleico", de la forma utilizada en la presente, incluye un plásmido, virus, retrovirus, bacteriófago, transposón, cósmido, cromosoma artificial (bacteriano o de levadura), que es capaz de replicarse en una célula huésped y que típicamente, tiene uno o más sitios de reconocimiento de endonucleasa de restricción en los que la secuencia puede ser cortada de una forma predeterminada. La construcción también puede contener un marcador adecuado para ser utilizado en la identificación de células transformadas, por ejemplo, una resistencia a la tetraciclina o una resistencia a la ampicilina.In another very useful aspect, the invention provides a nucleic acid construct comprising the nucleic acid of the invention. An "acid construction nucleic ", as used herein, includes a plasmid, virus, retrovirus, bacteriophage, transposon, cosmid, artificial chromosome (bacterial or yeast), which is capable of replicate in a host cell and that typically has one or more restriction endonuclease recognition sites where The sequence can be cut in a predetermined way. The construction may also contain a suitable marker to be used in the identification of transformed cells, by example, a tetracycline resistance or a resistance to ampicillin
La invención también abarca una célula que es transformada ya sea por el ácido nucleico o construcción anteriormente descritos. Una "célula", de la forma utilizada en la presente memoria, se refiere a cualquier célula procariótica o eucariótica que es utilizada como receptora de los polinucleótidos recombinantes y construcciones proporcionadas en la presente memoria. En realizaciones preferidas, la célula transformada de la invención es una célula bacteriana, una célula de levadura o una célula de un hongo filamentoso. Una célula huésped como E. coli, puede ser empleada en este aspecto; no obstante, células huésped preferidas son aquellas que resultan fácilmente compatibles con la producción de alimentos. Ejemplos de células huésped bacterianas adecuadas son: Bacillus spp, por ejemplo Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus lentus, Bacillus brevis, Bacillus stearothermophilus, Bacillus alkatophilus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus coagulans, Bacillus circulans, Bacillus lautus, Bacillus megaterium, y Bacillus thuringiensis o Streptomyces lividans o Streptomyces murinus, o Lactococcus spp., o Lactobacillus spp. y Zymomomas spp. Células huésped de levadura útiles se incluyen células de Saccharomyces spp. (en particular, S. cerevisiae), Schizosaccharomyces spp., y Pichia spp., y entre las células útiles de hongos filamentosos se incluyen aquellos de Aspergillus spp, como A. niger, A. nidulans y A. oryzae, Mucor spp., por ejemplo, Mucor circinelloides, y Neurospora spp., por ejemplo, Neurospora crassa. The invention also encompasses a cell that is transformed by either the nucleic acid or construct described above. A "cell," as used herein, refers to any prokaryotic or eukaryotic cell that is used as a receptor for recombinant polynucleotides and constructs provided herein. In preferred embodiments, the transformed cell of the invention is a bacterial cell, a yeast cell or a filamentous fungus cell. A host cell, such as E. coli, can be used in this regard; however, preferred host cells are those that are easily compatible with food production. Examples of suitable bacterial host cells are: Bacillus spp, for example, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus lentus, Bacillus brevis, Bacillus stearothermophilus, Bacillus alkatophilus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus coagulans, Bacillus lausus, Bacillus lausus, Bacillususus Bacillususus, Bacillususus Bacillususus, Bacillususus Bacillususus, Bacillususus, Bacillususus Bacillususus Bacillususus Streptomyces lividans or Streptomyces murinus, or Lactococcus spp., Or Lactobacillus spp. and Zymomomas spp. Useful yeast host cells include Saccharomyces spp cells. (in particular, S. cerevisiae ), Schizosaccharomyces spp., and Pichia spp., and useful cells of filamentous fungi include those of Aspergillus spp, such as A. niger, A. nidulans and A. oryzae, Mucor spp., for example, Mucor circinelloides , and Neurospora spp., for example, Neurospora crassa.
Los métodos para transformar células como aquellos mencionados con anterioridad con un ácido nucleico o construcción como aquellos mencionados con anterioridad, son bien conocidos en el estado de la técnica. La construcción o ácido nucleico puede ser introducido en las células huésped utilizando cualquier método adecuado (por ejemplo, electroporación, transfección utilizando cloruro de calcio, cloruro de rubidio, fosfato de calcio, DEAE-dextrano, u otras sustancias; bombardeo de microproyectiles, lipofección, infección, transducción).The methods to transform cells like those mentioned above with a nucleic acid or construction like those mentioned above, are fine known in the state of the art. Construction or acid nucleic can be introduced into host cells using any suitable method (e.g. electroporation, transfection using calcium chloride, rubidium chloride, calcium phosphate, DEAE-dextran, or others substances; microprojectile bombardment, lipofection, infection, transduction).
Otro aspecto de la invención proporciona un método para convertir una aldosa en una cetosa, método que comprende poner en contacto la aldosa con la L-arabinosa-isomerasa de la invención y mantener la reacción bajo condiciones donde se convierta al menos 1% en peso de la aldosa. Preferentemente, las condiciones se seleccionan de manera tal que al menos 10% en peso del sustrato de aldosa se convierta en su cetosa correspondiente, y más preferentemente, que se convierta al menos aproximadamente 20%, incluyendo aproximadamente 25%, y más preferentemente aún, al menos aproximadamente 30% o más de la aldosa en cetosa.Another aspect of the invention provides a method of converting an aldose into a ketose, method comprising put the tile in contact with the L-arabinose isomerase of the invention and keep the reaction under conditions where convert at least 1% by weight of the tile. Preferably, the conditions are selected such that at least 10% by weight of the aldose substrate becomes its corresponding ketosis, and more preferably, that it becomes at least about 20%, including about 25%, and more preferably still, at least approximately 30% or more of the aldose in ketose.
La aldosa puede ser cualquiera de aquellas mencionadas con anterioridad y se selecciona, preferiblemente, entre el grupo que consiste en L-arabinosa, D-galactosa y D-fucosa. Una realización muy útil de la invención utiliza D-galactosa como aldosa, en cuyo caso el producto de reacción cetosa es D-tagatosa. La D-galactosa puede obtenerse con facilidad hidrolizando la lactosa, obtenida a escala comercial del suero de queso y/o leche.The tile can be any of those mentioned above and preferably selected among the group consisting of L-arabinose, D-galactose and D-fucose. A very useful embodiment of the invention uses D-galactose as aldose, in which case the product of Ketose reaction is D-tagatose. The D-galactose can be easily obtained hydrolyzing lactose, obtained commercially from whey Cheese and / or milk.
En una realización preferida del método, la reacción se produce a una temperatura de la menos 60ºC, como en el intervalo de 60-100ºC, incluyendo aproximadamente 60-801 C, y preferentemente, en un intervalo de aproximadamente 60-70ºC.In a preferred embodiment of the method, the reaction occurs at a temperature of at least 60 ° C, as in the 60-100 ° C range, including approximately 60-801 C, and preferably, in a range of approximately 60-70 ° C.
Pueden requerirse iones de manganeso (Mn^{+2}) para sostener la actividad de al menos algunas de las isomerasas de la invención. En consecuencia, en realizaciones útiles de la invención, se encuentra presente un Mn^{+2} en la mezcla de la reacción en una concentración comprendida en el intervalo de aproximadamente 1-2 mM, incluyendo aproximadamente entre 1-10 mM como en el intervalo de aproximadamente 2-5 mM. No obstante, algunas de las isomerasas preferidas aún retienen sustancialmente toda su actividad si se encuentran presentes iones de Fe^{+2} a una concentración como aquella que se acaba de mencionar, o superior.Manganese ions (Mn + 2) may be required to sustain the activity of at least some of the isomerases of the invention. Consequently, in useful embodiments of the invention, an Mn + 2 is present in the mixture of the reaction in a concentration in the range of approximately 1-2 mM, including approximately between 1-10 mM as in the range of approximately 2-5 mM. However, some of the Preferred isomerases still retain substantially all of their activity if Fe + 2 ions are present at a concentration like the one just mentioned, or higher.
Por lo general, las concentraciones de sustrato
altas son ventajosas en la producción industrial de
D-tagatosa utilizando el método de la invención,
como 5% en peso o superior, preferentemente, 10% en peso o superior
y más preferentemente, 30% en peso o superior, como en el intervalo
de 30-60% en peso. De acuerdo con lo analizado con
anterioridad, las isomerasas de la presente invención tienen una
buena eficacia de conversión de D-galactosa en
dichas concentraciones de sustrato, y altas temperaturas de
operación benefician una alta solubilidad de
sustrato.Generally, high substrate concentrations are advantageous in the industrial production of D-tagatose using the method of the invention, such as 5% by weight or more, preferably 10% by weight or more and more preferably, 30% by weight. or higher, as in the range of 30-60% by weight. As discussed above, the isomerases of the present invention have a good conversion efficiency of D-galactose at said substrate concentrations, and high operating temperatures benefit a high solubility of
substratum.
La L-arabinosa-isomerasa puede estar proporcionada adecuadamente como una preparación de enzima aislada. Pueden seleccionarse fácilmente, métodos de aislamiento de isomerasa de su fuente, y el experto en la materia puede ajustarlos para obtener la enzima aislada de la pureza deseada. Dichos métodos pueden comprender una o más etapas de purificación cromográfica por intercambio de iones, afinidad, y cromatografía de permeación en gel, y/o pueden incluir etapas de sonificación, centrifugación y/o ultra-filtración.The L-arabinose isomerase may be adequately provided as an isolated enzyme preparation. Can easily be selected, isolation methods of isomerase from its source, and the person skilled in the art can adjust them to obtain the enzyme isolated from the desired purity. Such methods they may comprise one or more chromatographic purification steps by ion exchange, affinity, and permeation chromatography in gel, and / or may include sonification, centrifugation and / or stages ultra filtration
Preferentemente, la isomerasa es purificada hasta un punto en el cual no hay ninguna otra proteína. En este contexto, la expresión "esencialmente sin ninguna otra proteína" hace referencia a un alto grado de pureza, donde otras proteínas comprenden menos del 10% en peso de la preparación de isomerasa purificada, preferentemente, menos del 5% en peso y más preferentemente, menos del 3% en peso, como sustancialmente del 0% en peso de la preparación.Preferably, the isomerase is purified to a point where there is no other protein. In this context, the expression "essentially without any other protein "refers to a high degree of purity, where others proteins comprise less than 10% by weight of the preparation of purified isomerase, preferably, less than 5% by weight and more preferably, less than 3% by weight, as substantially 0% by weight of the preparation.
La enzima de la invención puede ser utilizada, ventajosamente, como una enzima libre, no inmovilizada, pero en otras realizaciones útiles, la preparación de enzima de isomerasa aislada es inmovilizada. En el presente contexto, el término "inmovilizada" hace referencia, por lo general, al enlace (covalente o no covalente) de la enzima con una matriz sólida como perlas, fibras o una membrana, o la incorporación de la enzima dentro de una matriz porosa, de manera que el contacto entre matriz y enzima sea retenido durante condiciones normales de reacción. Los métodos de inmovilización de una enzima resultan conocidos en el arte, e incluyen como ejemplo, el entrecruzamiento con glutaraldehído de la forma demostrada en el Ejemplo 3. Otros métodos aplicables son, por ejemplo, acoplamiento de la enzima en grupos hidroxilo de matriz que son activados, por ejemplo, por carbodiimida, carbonil-diimidazol, N,N=-disuccinimidil-carbonato (DSC), o bromuro de cianógeno; y acoplamiento por epoxidación, por ejemplo, por 1,4-butanediol-diglicidil-éter.The enzyme of the invention can be used, advantageously, as a free enzyme, not immobilized, but in Other useful embodiments, isomerase enzyme preparation Isolated is immobilized. In the present context, the term "immobilized" usually refers to the link (covalent or non-covalent) of the enzyme with a solid matrix such as beads, fibers or a membrane, or the incorporation of the enzyme within a porous matrix, so that the contact between matrix and enzyme is retained during normal reaction conditions. The enzyme immobilization methods are known in the art, and include as an example, cross-linking with glutaraldehyde in the manner demonstrated in Example 3. Other methods Applicable are, for example, enzyme coupling in groups matrix hydroxyl which are activated, for example, by carbodiimide, carbonyl diimidazole, N, N = -disuccinimidyl carbonate (DSC), or bromide of cyanogen; and epoxidation coupling, for example, by 1,4-butanediol diglycidyl ether.
De acuerdo con lo mostrado por el Ejemplo 3.3 de la presente memoria, se observa que la isomerasa inmovilizada de la invención tiene una excelente estabilidad a largo plazo durante ciclos de reacción repetidos a temperaturas de operación relativamente altas (65ºC), y así, es altamente adecuada para aplicaciones industriales.As shown by Example 3.3 of herein, it is observed that the immobilized isomerase of the invention has excellent long term stability during repeated reaction cycles at operating temperatures relatively high (65ºC), and thus, it is highly suitable for industrial applications
Se ha descubierto que un procedimiento de dos etapas de (i) hidrolizar lactosa en glucosa y galactosa y de (ii) isomerizar la galactosa obtenida en tagatosa, puede llevarse a cabo en un reactor simple; es decir, que una enzima de lactasa activa adecuada y una L-arabinosa-isomerasa de la presente invención pueden ser utilizadas simultáneamente en una unidad de reacción que es alimentada con lactosa para obtener tagatosa. Una realización de esto queda demostrada y descrita en detalle en el Ejemplo 4. Sorprendentemente, la glucosa obtenida no impide la actividad de la isomerasa, y la glucosa puede ser separada de la tagatosa así como también cualquier galactosa isomerizada a través de medios de separación adecuados, como por cromatografía. Se establece convenientemente un procedimiento de un reactor y dos etapas como este a través del uso de lactasa inmovilizada y L-arabinosa-isomerasa inmovilizada, donde ambas enzimas pueden ser inmovilizadas por ejemplo, de la forma descrita en la presente memoria. Preferentemente, la lactasa debe mantener su actividad a una temperatura alta, por ejemplo, en el intervalo de 60-100ºC, incluyendo el intervalo de 60- 80ºC y 60-70ºC, de manera tal que pueda utilizarse el régimen de alta temperatura de la isomerasa, de acuerdo con lo descrito en la presente memoria. Una enzima de lactasa preferida en este aspecto es la \beta-glicosidasa que se consigue fácilmente de varias fuentes, por ejemplo, derivada de bacteria termófila y expresada en un huésped adecuado como E. coli, pero más preferentemente, en una célula huésped de producción de alimentos mejor aprobada y más compatible, como las mencionadas en la presente.It has been discovered that a two-stage process of (i) hydrolyzing lactose into glucose and galactose and of (ii) isomerizing the galactose obtained in tagatose, can be carried out in a simple reactor; that is, that a suitable active lactase enzyme and an L-arabinose isomerase of the present invention can be used simultaneously in a reaction unit that is fed with lactose to obtain tagatose. An embodiment of this is demonstrated and described in detail in Example 4. Surprisingly, the glucose obtained does not impede the activity of the isomerase, and the glucose can be separated from the tagatose as well as any isomerized galactose through suitable separation means. , as by chromatography. A two-stage reactor procedure like this is conveniently established through the use of immobilized lactase and immobilized L-arabinose isomerase, where both enzymes can be immobilized, for example, in the manner described herein. Preferably, the lactase should maintain its activity at a high temperature, for example, in the range of 60-100 ° C, including the range of 60-80 ° C and 60-70 ° C, so that the high temperature regime of the isomerase can be used , in accordance with what is described herein. A preferred lactase enzyme in this aspect is β-glycosidase which is readily available from various sources, for example, derived from thermophilic bacteria and expressed in a suitable host such as E. coli , but more preferably, in a production host cell. of better approved and more compatible foods, such as those mentioned herein.
En base a los descubrimientos anteriormente mencionados, la descripción proporciona, de esta forma, en otro aspecto, un método para la producción de D-tagatosa que comprende la hidrolización de lactosa por contacto de lactosa con una enzima de lactasa activa (en la mayoría de los casos, una \beta-galactosidasa) para rendir glucosa y D-galactosa, y convertir al menos una porción de la D-galactosa obtenida en D-tagatosa por contacto de la galactosa con una enzima de L-arabinosa-isomerasa activa, donde dicha enzima de lactasa activa y dicha enzima de L-arabinosa-isomerasa activa se encuentran contenidas en la misma unidad de reactor bajo esencialmente las mismas condiciones de reacción. En realizaciones particularmente útiles, las condiciones de reacción incluyen una temperatura en el intervalo de aproximadamente 50ºC a aproximadamente 100ºC, preferiblemente, de aproximadamente 55ºC a aproximadamente 100ºC, y más preferiblemente, de aproximadamente 60ºC a aproximadamente 100ºC, como en el intervalo de aproximadamente 60ºC a 80ºC, incluyendo el intervalo de aproximadamente 65ºC a aproximadamente 80ºC, como en el intervalo de aproximadamente 65ºC a aproximadamente 75ºC, incluyendo aproximadamente 65ºC, aproximadamente 70ºC y aproximadamente 75ºC. Además, las condiciones de reacción incluirán, típicamente, dichas condiciones de acuerdo con lo descrito con anterioridad, como un pH en el intervalo de 6 a 9, preferentemente, en el intervalo de 7 a 9, como en el intervalo de aproximadamente 7 a 8.Based on the findings above mentioned, the description provides, in this way, in another aspect, a method for the production of D-tagatose comprising lactose hydrolyzing by lactose contact with an active lactase enzyme (in most cases, a β-galactosidase) to yield glucose and D-galactose, and convert at least a portion of the D-galactose obtained in D-tagatose by contact of galactose with an enzyme of L-arabinose-active isomerase, where said active lactase enzyme and said enzyme of L-arabinose-active isomerase is they are contained in the same low reactor unit essentially the same reaction conditions. In realizations particularly useful, the reaction conditions include a temperature in the range of about 50 ° C at about 100 ° C, preferably, about 55 ° C at about 100 ° C, and more preferably, of about 60 ° C to about 100 ° C, as in the range of approximately 60 ° C to 80 ° C, including the range of about 65 ° C to about 80 ° C, as in the range from about 65 ° C to about 75 ° C, including about 65 ° C, about 70 ° C and about 75 ° C. In addition, the reaction conditions will typically include such conditions as described above, such as a pH in the range of 6 to 9, preferably in the range of 7 to 9, as in the range of about 7 to 8.
La D-tagatosa producida por los métodos de la presente invención, encuentra uso en una variedad de aplicaciones farmacéuticas, alimentos y alimentos funcionales. Se trata de un endulzante de volumen completo de bajas calorías que puede reemplazar ventajosamente, completa o parcialmente, al azúcar y/o endulzantes sin azúcar en productos dulces convencionales como caramelos, chocolate, cereales, productos lácteos dulces (helados, yogur, bebidas a base de leche), productos horneados, y gaseosas. La D-tagatosa puede ser utilizada, además, en barras dietéticas, goma de mascar sin azúcar, y como relleno endulzante en productos medicinales como pastillas, tabletas y mezclas líquidas. La D-tagatosa es no cariogénica y tiene propiedades probióticas que promueven una digestión saludable. El compuesto es seguro para ser utilizado por personas diabéticas.D-tagatose produced by methods of the present invention, find use in a variety of Pharmaceutical applications, food and functional foods. Be it's a low-calorie full volume sweetener that can advantageously, completely or partially, replace sugar and / or sugar-free sweeteners in conventional sweet products such as candies, chocolate, cereals, sweet dairy products (ice cream, yogurt, milk-based drinks), baked goods, and soda. D-tagatose can also be used in bars Dietary, sugar-free chewing gum, and as a sweetener filling in medicinal products such as pills, tablets and liquid mixtures. D-tagatose is non-cariogenic and has properties Probiotics that promote healthy digestion. The compound is Safe to be used by diabetic people.
En otro aspecto de la invención, se proporciona un método para la producción de L-arabinosa-isomerasa, que comprende transformar una célula como aquellas descritas con anterioridad, con un ácido nucleico de la invención, y el enlace operable del mismo con señales de expresión adecuadas que dirigen la expresión de la isomerasa, y opcionalmente, secuencias que dirigen la secreción de la isomerasa, propagar la célula transformada de esta manera y cosechar las células de progenie que contienen la isomerasa o, si es secretada en el medio, la isomerasa extraída. El término "transformación" hace referencia al cambio de una forma heredable de las características de una célula huésped como respuesta al ADN exógeno introducido, que puede estar integrado o no (enlazado covalentemente) al ADN cromosómico que forma el genoma de una célula. En procariotas y levadura, por ejemplo, el ADN exógeno puede estar mantenido en un elemento episomal como un plásmido. Respecto de células eucarióticas, una célula establemente transformada es aquella donde el ADN exógeno ha sido integrado en un cromosoma de manera que sea heredado por células hermanas a través de replicación de cromosomas. Esta estabilidad queda demostrada por la capacidad de la célula eucariótica de establecer líneas celulares o clones formados por una población de células hermanas con contenido de ADN exógeno.In another aspect of the invention, it is provided a method for the production of L-arabinose isomerase, which comprises transforming a cell like those described with above, with a nucleic acid of the invention, and the bond operable thereof with appropriate expression signals that direct the Isomerase expression, and optionally, sequences that direct Isomerase secretion, propagate the transformed cell of this way and harvest the progeny cells that contain the isomerase or, if secreted in the medium, the extracted isomerase. He term "transformation" refers to the change of a form inheritable from the characteristics of a host cell as response to the exogenous DNA introduced, which may or may not be integrated (covalently linked) to the chromosomal DNA that forms the genome of a cell. In prokaryotes and yeast, for example, exogenous DNA It can be maintained in an episomal element such as a plasmid. Regarding eukaryotic cells, a stably cell transformed is one where exogenous DNA has been integrated into a chromosome so that it is inherited by sister cells through of chromosome replication. This stability is demonstrated by the ability of the eukaryotic cell to establish cell lines or clones formed by a population of sister cells with exogenous DNA content.
En realizaciones útiles, el método de la invención comprende el otro paso de purificación de L-arabinosa-isomerasa de células de progenie o el medio de obtener una preparación de L-arabinosa-isomerasa, por ejemplo, con métodos de purificación como aquellos descritos con anterioridad.In useful embodiments, the method of invention comprises the other purification step of L-arabinose isomerase cell progeny or the means of obtaining a preparation of L-arabinose isomerase, for example, with purification methods such as those described with anteriority.
En una forma de realización, el método comprende la etapa adicional de secar la preparación de isomerasa a un contenido de humedad de 10% en peso como máximo. Una preparación como esta puede estar en forma de polvo o de gránulos, que puede ser vuelta a disolver en un medio para utilizar la isomerasa de la forma descrita en la presente.In one embodiment, the method comprises the additional step of drying the isomerase preparation at a moisture content of 10% by weight maximum. A preparation as this may be in the form of powder or granules, which may be re-dissolved in a medium to use the isomerase of the form described herein.
Todavía en otro aspecto, la invención proporciona una composición que comprende la L-arabinosa-isomerasa descrita en la presente, en una forma inmovilizada, por ejemplo, una forma inmovilizada como la descrita en la presente memoria.Still in another aspect, the invention provides a composition comprising the L-arabinose isomerase described in the present, in an immobilized form, for example, a form immobilized as described herein.
La invención además se ilustra en mayor detalle en los siguientes ejemplos no limitativos y en los dibujos, donde:The invention is further illustrated in greater detail. in the following non-limiting examples and in the drawings, where:
- la Figura 1 es un mapa genético del fragmento de ADN de T. mathranii que fue clonado en E. coli, de acuerdo con lo descrito en el Ejemplo 1;- Figure 1 is a genetic map of the T. mathranii DNA fragment that was cloned into E. coli , as described in Example 1;
- la Figura 2 muestra el porcentaje de restos de aminoácido idénticos descubiertos por alineación en forma de pares de una cantidad de secuencias araA conocidas en comparación con las secuencias de T. mathranii. Las secuencias conocidas son identificadas por números de acceso de la base de datos EMBL/Genbank;- Figure 2 shows the percentage of identical amino acid residues discovered by pairwise alignment of a number of known araA sequences compared to T. mathranii sequences. Known sequences are identified by access numbers of the EMBL / Genbank database;
- la Figura 3 muestra un árbol filogenético en base a todas las secuencias de aminoácido de L-arabinosa-isomerasa disponibles en la actualidad en bases de datos públicas de secuencias y la secuencia de T. mathranii;- Figure 3 shows a phylogenetic tree based on all the L-arabinose-isomerase amino acid sequences currently available in public sequence databases and the sequence of T. mathranii ;
- la Figura 4 muestra una alineación de secuencia de aminoácido del gen araA de Thermoanaerobacter mathranii y otras secuencias araA disponibles en la actualidad en bases de datos públicas. Los números que se muestran debajo de las secuencias hacen referencia a la secuencia araA de T. mathranii. Los restos de aminoácido catalíticamente activos en el sitio activo de la L-fucosa-isomerasa E. coli son Glu 337 y Asp 361, y los aminoácidos putativos correspondientes están marcados con "#" en la alineación de las secuencias de L-arabinosa-isomerasa. Los restos de aminoácido conservados están marcados con "*", las sustituciones conservadoras están marcadas con ":" y los restos relacionados están marcados con ".". La alineación fue realizada con el programa CLUSTAL X (1.8);- Figure 4 shows an amino acid sequence alignment of the AraA gene of Thermoanaerobacter mathranii and other araA sequences currently available in public databases. The numbers shown below the sequences refer to the araA sequence of T. mathranii . The catalytically active amino acid residues at the active site of L-fucose-isomerase E. coli are Glu 337 and Asp 361, and the corresponding putative amino acids are marked with "#" in the alignment of the L-arabinose-isomerase sequences . The conserved amino acid residues are marked with "*", the conservative substitutions are marked with ":" and the related residues are marked with ".". The alignment was done with the CLUSTAL X program (1.8);
- la Figura 5 ilustra la dependencia de temperatura de L-arabinosa-isomerasa de T. mathranii producida en E. coli;- Figure 5 illustrates the temperature dependence of T. mathranii L-arabinose isomerase produced in E. coli ;
- la Figura 6 ilustra la dependencia de pH de L-arabinosa-isomerasa de T. mathranii producida en E. coli; y- Figure 6 illustrates the pH dependence of T. mathranii L-arabinose isomerase produced in E. coli ; Y
- la Figura 7 ilustra la conversión de reactor simple de lactosa en tagatosa con lactasa inmovilizada e isomerasa inmovilizada.- Figure 7 illustrates the reactor conversion lactose in tagatose with immobilized lactase and isomerase immobilized
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Se obtuvo el microorganismo Thermoanaerobacter mathranii DSMZ 11426 termofílico anaeróbico a partir de Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Mascherodes Weg 1b, D-38124 Braunschweig, Alemania (DSMZ). Originalmente, se describió la cepa como "cepa A3" (Sonne-Hansen, J. Mathrani, I. M. y Ahring, B. K. (1993) Appl. Microbiol. Biotechnol. 38:537-541). Posteriormente, se depositó la cepa en DSMZ y se propuso el nombre T. mathranii (Larsen, L., Nielsen, P. y Ahring, B. (1997) Arch. Microbiol. 168:114-119). Thermoanaerobacter mathranii DSMZ 11426 thermophilic anaerobic microorganism was obtained from Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Mascherodes Weg 1b, D-38124 Braunschweig, Germany (DSMZ). Originally, the strain was described as "strain A3" (Sonne-Hansen, J. Mathrani, IM and Ahring, BK (1993) Appl. Microbiol. Biotechnol. 38: 537-541). Subsequently, the strain was deposited in DSMZ and the name T. mathranii (Larsen, L., Nielsen, P. and Ahring, B. (1997) Arch. Microbiol. 168: 114-119) was proposed.
Se cultivó T. mathranii (DSMZ 11426) a 65ºC bajo condiciones anaeróbicas en el medio recomendado por DSMZ. Después del crecimiento, se centrifugó el cultivo y se almacenó el pélet a -80ºC hasta purificación de ADN cromosómico. T. mathranii (DSMZ 11426) was grown at 65 ° C under anaerobic conditions in the medium recommended by DSMZ. After growth, the culture was centrifuged and the pellet was stored at -80 until purification of chromosomal DNA.
Se utilizó un método de extracción de fenol/cloroformo clásico descrito por Sambrook y colaboradores para la purificación de ADN cromosómico total de células de T. mathranii congeladas. Se escindió parcialmente el ADN cromosómico purificado con enzima de restricción Sau3A (New England Biolabs) y se purificaron fragmentos de ADN de aproximadamente 3-4 kb a partir de geles de agarosa utilizando el kit de Purificación de Banda en Gel GFX (Amersham Pharmacia Biotech).A classical phenol / chloroform extraction method described by Sambrook et al. Was used for the purification of total chromosomal DNA from frozen T. mathranii cells. Purified chromosomal DNA was partially cleaved with restriction enzyme Sau3A (New England Biolabs) and approximately 3-4 kb DNA fragments were purified from agarose gels using the GFX Gel Band Purification Kit (Amersham Pharmacia Biotech) .
Se segmentó el plásmido de pBluescript KS (+/-) (Strategene Cloning Systems) con enzima de restricción BamHI (New England Biolabs), se trató con fosfatasa alcalina (CIP, New England Biolabs) y se purificó a partir de geles de agarosa utilizando el kit de Purificación de Banda en Gel GFX (Amersham Pharmacia Biotech). Tras la ligación de fragmentos de ADN purificados y el vector del plásmido purificado, se introdujo la mezcla de ligación en células DH10B supercompetentes (Life Technologies) por electroporación de acuerdo con lo descrito por el fabricante. Las células transformadas se colocaron en placas sobre medio LB que contiene ampicilina (100 \mug/ml). Se agruparon aproximadamente 16.000 colonias de 20 placas, y se utilizó un kit Jetstar (Genomed) para producir una preparación plasmídica a partir de las células agrupadas.The plasmid of pBluescript KS (+/-) (Strategene Cloning Systems) was restrained with restriction enzyme Bam HI (New England Biolabs), treated with alkaline phosphatase (CIP, New England Biolabs) and purified from agarose gels using the GFX Gel Band Purification kit (Amersham Pharmacia Biotech). After ligation of purified DNA fragments and the purified plasmid vector, the ligation mixture was introduced into supercompetent DH10B cells (Life Technologies) by electroporation as described by the manufacturer. The transformed cells were plated on LB medium containing ampicillin (100 µg / ml). Approximately 16,000 colonies of 20 plates were pooled, and a Jetstar kit (Genomed) was used to produce a plasmid preparation from the pooled cells.
Se introdujo un banco de plásmidos preparado a partir de células agrupadas por electroporación en células UP1089, una cepa Escherichia coli que lleva una mutación araA que evita que se desarrolle en un medio mínimo de L-arabinosa. La cepa UP1089 fue provista por E. coli Genetic Stock Center, 355 Osborn Memorial Laboratories, Departamento de Biología, P.O. Box 208104, Universidad de Yale, New Haven, CT 06520-8104, EE.UU. Después de la transformación con el banco de plásmidos, las células UP1089 se colocaron en placas sobre medio mínimo con contenido de L-arabinosa como único azúcar, y se seleccionó así para complementar la mutación de araA. Se obtuvieron aproximadamente 90 colonias por selección de desarrollo sobre placas medianas mínimas de L-arabinosa.A plasmid bank prepared from cells grouped by electroporation was introduced into UP1089 cells, an Escherichia coli strain carrying an araA mutation that prevents it from developing in a minimal medium of L-arabinose. Strain UP1089 was provided by E. coli Genetic Stock Center, 355 Osborn Memorial Laboratories, Department of Biology, PO Box 208104, Yale University, New Haven, CT 06520-8104, USA. After transformation with the plasmid bank, the UP1089 cells were plated on minimal medium with L-arabinose content as the only sugar, and thus selected to complement the araA mutation. Approximately 90 colonies were obtained by development selection on minimal medium plates of L-arabinose.
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Se seleccionaron insertos plasmídicos a partir de dos de estas colonias para secuenciar ADN (ALF Express, Amersham Pharmacia Biotech), y se descubrió que contenían fragmentos idénticos de ADN que comprendían un gen de L-arabinosa-isomerasa (araA) seguido de un gen de L-ribulokinasa (araB) (Figura 1). La secuencia nucleótida de la parte 5' de un fragmento de ADN clonado que comprende los genes araA y araB se muestra en la Tabla 1.1 a continuación. El marco de lectura abierto del gen araA se muestra en negrita (nucleótidos 463-1860).Plasmid inserts were selected from two of these colonies to sequence DNA (ALF Express, Amersham Pharmacia Biotech), and were found to contain identical DNA fragments that comprised an L-arabinose-isomerase ( araA ) gene followed by a gene of L-ribulokinase ( araB ) (Figure 1). The nucleotide sequence of the 5 'part of a cloned DNA fragment comprising the araA and araB genes is shown in Table 1.1 below. The open reading frame of the araA gene is shown in bold (nucleotides 463-1860).
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El marco de lectura abierto del gen araA codificó 465 restos de aminoácido, correspondientes a un peso molecular de 52.785 Da. La secuencia de aminoácido del producto de gen araA (SEQ ID NO:2) deducida de la secuencia de la Tabla 1.1 se muestra en la Tabla 1.2 a continuación.The open reading frame of the araA gene encoded 465 amino acid residues, corresponding to a molecular weight of 52,785 Da. The amino acid sequence of the araA gene product (SEQ ID NO: 2) deduced from the sequence of Table 1.1 is shown in Table 1.2 below.
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La secuencia de aminoácido mostró una homología con las L-arabinosa-isomerasas previamente conocidas. El porcentaje de restos de aminoácido idénticos era relativamente bajo, 24% y 30%, cuando la secuencia de T. mathranii se alineaba con otros genes araA (Figura 4). En comparación, el nivel de identidad estaba por encima del 46% dentro del grupo de referencia de L-arabinosa-isomerasas previamente conocidas (Figura 2). Las secuencias de aminoácido de L-arabinosa-isomerasa disponibles en la actualidad en bases de datos públicas de secuencias y la secuencia de T. mathranii fueron posteriormente utilizadas para la construcción de un árbol filogenético (Figura 3) utilizando el programa ClustalX (Thompson, J. D., Gibson, T. J., Plewniak, F., Jeanmougin, F. y Higgins, D. G. (1997) Nucleic Acids Res. 25:4876-4882).The amino acid sequence showed a homology with the previously known L-arabinose isomerases. The percentage of identical amino acid residues was relatively low, 24% and 30%, when the sequence of T. mathranii aligned with other araA genes (Figure 4). In comparison, the level of identity was above 46% within the reference group of previously known L-arabinose isomerases (Figure 2). The L-arabinose-isomerase amino acid sequences currently available in public sequence databases and the T. mathranii sequence were subsequently used for the construction of a phylogenetic tree (Figure 3) using the ClustalX program (Thompson, JD , Gibson, TJ, Plewniak, F., Jeanmougin, F. and Higgins, DG (1997) Nucleic Acids Res . 25: 4876-4882).
Se seleccionó una de las dos colonias para un uso ulterior.One of the two colonies was selected for a further use
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Se crecieron células E. coli que albergan el gen de L-arabinosa-isomerasa, durante la noche, a 37ºC en medio LB que contienen ampicilina (100 \mug/ml). Después de centrifugar, se volvieron a suspender las células en 50 mM de Tris-Cl, con un pH de 7,5 y se sometió a lisis en una celda de presión French operada a 1.100 psig. Se retiró el desecho celular por centrifugado y el extracto celular resultante fue utilizado para caracterizar la enzima, de acuerdo con lo descrito a continuación. E. coli cells that harbor the L-arabinose-isomerase gene were grown overnight at 37 ° C in LB medium containing ampicillin (100 µg / ml). After centrifugation, the cells were resuspended in 50 mM Tris-Cl, with a pH of 7.5 and lysed in a French pressure cell operated at 1,100 psig. The cell debris was removed by centrifugation and the resulting cell extract was used to characterize the enzyme, as described below.
Se determinó la actividad de L-arabinosa-isomerasa de acuerdo con lo descrito por Yamanaka, K. y Wood, W. A. (1996) en Methods in Enzymology 9:596-602. Se mezcló una muestra de enzima, 10 y 50 \mul, con 950 \mul de reactivo de ensayo y se incubó a 65ºC durante 60 minutos. Las concentraciones finales fueron: L-arabinosa, 5 mM; MnCl_{2}, 5 mM; buffer de maleato, con un pH de 6,9, 25 mM. Cuando se utilizó galactosa o fucosa como sustrato, la concentración de D-galactosa o D-fucosa fue de 0,5 M y el tiempo de incubación, fue aproximadamente 16 horas.The activity of L-arabinose isomerase was determined according to that described by Yamanaka, K. and Wood, WA (1996) in Methods in Enzymology 9: 596-602. An enzyme sample, 10 and 50 µl, was mixed with 950 µl of test reagent and incubated at 65 ° C for 60 minutes. The final concentrations were: L-arabinose, 5 mM; MnCl2, 5 mM; maleate buffer, with a pH of 6.9, 25 mM. When galactose or fucose was used as a substrate, the concentration of D-galactose or D-fucose was 0.5 M and the incubation time was approximately 16 hours.
Se determinaron las concentraciones obtenidas de las cetosas L-ribulosa, D-tagatosa o D-fuculosa, respectivamente, por el método de cisteína-carbazol-ácido sulfúrico (Dische, Z. y Borenfreund, E. (1951) J. Biol. Chem. 192:583-587). Se incubaron muestras a temperatura ambiente durante 60 minutos y se midió la absorbancia a 560 nm en un lector de microplaca. Se realizaron curvas estándar que mostraban la respuesta de color de 0 a 5 mM de cetosa con D-tagatosa y D-ribulosa, dado que la L-ribulosa no se encontraba comercialmente disponible. (No se obtuvo ninguna curva estándar para la D-fuculosa que no se encontraba comercialmente disponible).The concentrations obtained from the ketoses L-ribulose, D-tagatose or D-fuculose, respectively, were determined by the method of cysteine-carbazol-sulfuric acid (Dische, Z. and Borenfreund, E. (1951) J. Biol. Chem . 192: 583-587). Samples were incubated at room temperature for 60 minutes and the absorbance at 560 nm was measured in a microplate reader. Standard curves were performed showing the color response of 0 to 5 mM ketose with D-tagatose and D-ribulose, since L-ribulose was not commercially available. (No standard curve was obtained for D-fuculose that was not commercially available.)
Se determinaron las concentraciones de lactosa, D-glucosa, D-galactosa, D-tagatosa, L-ribulosa y D-fuculosa por cromatografía líquida a alta presión utilizando una columna Aminez HPX-87C (Bio-Rad) y un detector de índice refractario. Se des-ionizó la fase móvil, se desgasificó agua, la temperatura de columna era de 85ºC y la velocidad del flujo era de 0,6 ml/min.Lactose concentrations were determined, D-glucose, D-galactose, D-tagatose, L-ribulose and D-fuculose by high pressure liquid chromatography using an Aminez HPX-87C column (Bio-Rad) and a refractive index detector. Be de-ionized the mobile phase, water was degassed, the column temperature was 85 ° C and the flow rate was 0.6 ml / min.
Los ensayos de D-galactosa que se llevaron a cabo a temperaturas crecientes entre 45ºC y 85ºC, mostraron la actividad más alta a 65ºC (Figura 5).D-galactose assays that were carried out at increasing temperatures between 45 ° C and 85 ° C, showed the highest activity at 65 ° C (Figure 5).
Los ensayos de D-galactosa que se llevaron a cabo a un pH de 4, 5, 6, 7, 8 y 9, mostraron, respectivamente, la actividad más alta a un pH de 8 (Figura 6). El tampón utilizado para estos ensayos era una mezcla de ácido acético 25 mM, ácido 2-[N-morfolino]etanosulfónico (MES) 25 mM, MnCl_{2} 5 mM, y tris[hidroximetil]-aminometano (TRIS) 25 mM, que fue titrado con HCl o NaOH.D-galactose assays that were carried out at a pH of 4, 5, 6, 7, 8 and 9, they showed, respectively, the highest activity at a pH of 8 (Figure 6). He buffer used for these tests was a mixture of acetic acid 25 mM, 2- [N-morpholino] ethanesulfonic acid (MONTH) 25 mM, 5 mM MnCl2, and 25 mM tris [hydroxymethyl] -aminomethane (TRIS), which was titrated with HCl or NaOH.
Se ensayó un intervalo de sales de metal (MnCl_{2}, NaCl, KCl, MgSO_{4}, ZnSO_{4}, CuSO_{4} y FeSO_{4}) por su capacidad de reactivar enzimas que habían sido previamente dializadas contra una disolución amortiguadora que contenía ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) 5 mM. Solamente la adición de MnCl_{2} (100%) o de FeSO_{4} (76%) restableció la actividad de L-arabinosa-isomerasa.A range of metal salts was tested (MnCl2, NaCl, KCl, MgSO4, ZnSO4, CuSO4 and FeSO_4) for its ability to reactivate enzymes that had been previously dialyzed against a buffer solution that It contained 5 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). Only the adding MnCl2 (100%) or FeSO4 (76%) restored the activity of L-arabinose isomerase.
También se ha informado acerca de otras enzimas de L-arabinosa-isomerasa de Escherichia coli (Patrick, J. W., y Lee, N. (1968) J. Biol. Chem. 243:4312-4318), Aerobacter aerogenes (Yanamaka, K. y Wood, W. A. (1966) Methods in Enzymology 9:596-602), y Lactobacillus gayonii (Nakamatu, T. y Yamanaka, K. (1968) Biochim. Biophys. Acta 178:156-165) requieren de Mn^{2+}.Other Escherichia coli L-arabinose-isomerase enzymes have also been reported (Patrick, JW, and Lee, N. (1968) J. Biol. Chem. 243: 4312-4318), Aerobacter aerogenes (Yanamaka, K. and Wood, WA (1966) Methods in Enzymology 9: 596-602), and Lactobacillus gayonii (Nakamatu, T. and Yamanaka, K. (1968) Biochim. Biophys. Act 178: 156-165) require Mn 2 +}.
Se determinó un peso molecular nativo de aproximadamente 220 kDa por filtración con gel en una columna Superdex 200 HR10/30 (Amersham Pharmacia Biotech) y por ensayo de enzima de fracciones recolectadas.A native molecular weight of approximately 220 kDa by gel filtration on a column Superdex 200 HR10 / 30 (Amersham Pharmacia Biotech) and by test of Enzyme of collected fractions.
La electroforesis en gel de dodecilsulfatopoliacrilamida de sodio (SDS-PAGE) de fracciones recolectadas mostró un peso molecular de subunidad de aproximadamente 55 kDa, que concuerda con el tamaño de subunidad de 53 kDa previsto de la secuencia de ADN del marco de lectura abierto de araA (465 residuos de aminoácido). La identidad de la banda de L-arabinosa-isomerasa de 55 kDa vista en SDS-PAGE fue verificada por transferencia electroforética del polipéptido en membrana de difluoruro de polivinilideno (PVDF) y la secuencia de aminoácido N-terminal en un micro-secuenciador automatizado. La secuencia N-terminal, MQTKKK-, era idéntica a la secuencia de aminoácido deducida de la secuencia de ADN del gen de araA de T. mathranii, de acuerdo con lo descrito con anterioridad en el Ejemplo 1.Sodium dodecylsulfatopolyacrylamide gel (SDS-PAGE) electrophoresis of collected fractions showed a subunit molecular weight of approximately 55 kDa, which corresponds to the expected 53 kDa subunit size of the DNA sequence of the open reading frame of araA (465 amino acid residues). The identity of the 55 kDa L-arabinose-isomerase band seen in SDS-PAGE was verified by electrophoretic transfer of the polyvinylidene difluoride membrane polypeptide (PVDF) and the N-terminal amino acid sequence in an automated micro-sequencer. The N-terminal sequence, MQTKKK-, was identical to the amino acid sequence deduced from the DNA sequence of the T. mathranii araA gene, as described previously in Example 1.
El peso molecular nativo observado de aproximadamente 220 kDa y el tamaño de subunidad de aproximadamente 55 kDa sugieren que la enzima activa es un tetrámero. La enzima correspondiente en E. coli es un hexámero que contiene seis subunidades idénticas de aproximadamente 60 kDa (Patrick, J. W. y Lee, N. J. (1969) J. Biol. Chem. 244:4277-4283).The observed native molecular weight of approximately 220 kDa and the subunit size of approximately 55 kDa suggest that the active enzyme is a tetramer. The corresponding enzyme in E. coli is a hexamer containing six identical subunits of approximately 60 kDa (Patrick, JW and Lee, NJ (1969) J. Biol. Chem. 244: 4277-4283).
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Se ha informado previamente que determinadas enzimas de L-arabinosa-isomerasa pueden isomerizar no solamente L-arabinosa, sino también D-galactosa y D-fucosa (Yamanaka, K. y Wood, W. A. (1966) Methods in Enzymology 9:596-602). Estos azúcares tienen la misma configuración en C_{1} a C_{4}, incluyendo una configuración L-cis a C_{2}-C_{3}.It has been previously reported that certain L-arabinose-isomerase enzymes can isomerize not only L-arabinose, but also D-galactose and D-fucose (Yamanaka, K. and Wood, WA (1966) Methods in Enzymology 9: 596-602 ). These sugars have the same configuration in C 1 to C 4, including an L-cis to C 2 -C 3 configuration.
La relación molar de cetoazúcar generada por isomerización de L-arabinosa y D-galactosa respectivamente, fue determinada a una concentración de sustrato de 0,5 M (con un pH de 6,9 a 65ºC). Se calculó la relación a partir de respuestas de color de cisteína-carbazol-ácido sulfúrico y las curvas estándar generadas con ribulosa y tagatosa, respectivamente. Este cálculo demostró que la actividad de D-galactosa era el 21% de la actividad de L-arabinosa.The molar ratio of keto sugar generated by isomerization of L-arabinose and D-galactose respectively, was determined at a substrate concentration of 0.5 M (with a pH of 6.9 at 65 ° C). Be calculated the relationship from color responses of cysteine-carbazol-sulfuric acid and curves standard generated with ribulose and tagatose, respectively. This calculation showed that D-galactose activity was 21% of L-arabinose activity.
La respuesta de color obtenida con 0,5 M de D-fucosa fue el 46% de la respuesta correspondiente vista con L-arabinosa. La relación molar entre la actividad de D-fucosa y L-arabinosa no podía calcularse, dado que no se obtuvo ninguna curva estándar para D-fuculosa.The color response obtained with 0.5 M of D-fucose was 46% of the corresponding response view with L-arabinose. The molar relationship between D-fucose and L-arabinose activity could not be calculated, since no standard curve was obtained for D-fuculosa.
No se detectó ninguna actividad enzimática significativa con otras aldohexosas (D-glucosa, D-manosa), con otras aldopentosas (D-arabinosa, L-ribosa, D-ribosa, D-xilosa), ni con otra deoxiazúcar (L-fucosa).No enzyme activity was detected. significant with other aldohexoses (D-glucose, D-mannose), with other aldopentoses (D-arabinose, L-ribose, D-ribose, D-xylose), nor with another deoxiazúcar (L-fucose).
La aparentes constantes de Michaelis-Menten, K_{m}, de la enzima eran aproximadamente 80 mM para L-arabinosa, aproximadamente 120 mM para D-galactosa, y aproximadamente 145 mM para D-fucosa. La Tabla 2.1 muestra valores previamente registrados para otras L-arabinosa-isomerasas. La amplia especificidad de sustrato mostrada con anterioridad y los valores K_{m} similares para L-arabinosa, D-galactosa, y D-fucosa sugieren que la enzima de la invención, en comparación con otras L-arabinosa-isomerasas, es una aldosa-isomerasa versátil capaz de isomerizar un intervalo de aldosas estructuralmente relacionadas.The apparent Michaelis-Menten constants, K m , of the enzyme were approximately 80 mM for L-arabinose, approximately 120 mM for D-galactose, and approximately 145 mM for D-fucose. Table 2.1 shows previously recorded values for other L-arabinose isomerases. The broad substrate specificity shown above and similar K m values for L-arabinose, D-galactose, and D-fucose suggest that the enzyme of the invention, compared to other L-arabinose isomerases, is an aldose - Versatile isomerase capable of isomerizing a range of structurally related aldoses.
Referencias citadas en la Tabla 2.1:References cited in Table 2.1:
1: Yamanaka, K. y Wood, W. A. (1966) Methods in Enrymology 9:596-602.1: Yamanaka , K. and Wood , WA ( 1966 ) Methods in Enrymology 9: 596-602.
2: Ibrahim, O. O. y Spradlin, J. E., Patente estadounidense Nº 6.057.135 (Kraft Foods, Inc.).2: Ibrahim , OO and Spradlin , JE, U.S. Patent No. 6,057,135 (Kraft Foods, Inc.).
3: Patrick, J. W. y Lee, N. (1968) J. Biol. Chem. 243:4312-4318.3: Patrick , JW and Lee , N. ( 1968 ) J. Biol. Chem. 243: 4312-4318.
4: Heath, E. C., Horecker, B. L., Smymiotis, P. Z. y Takagi, Y. (1958) J. Biol. Chem. 231:1031-1037.4: Heath , EC, Horecker , BL, Smymiotis , PZ and Takagi , Y. ( 1958 ) J. Biol. Chem. 231: 1031-1037.
5: Nakamatu, T. y Yamanaka, K. (1969) Biochim. Biophys. Acta 178:156-165.5: Nakamatu , T. and Yamanaka , K. ( 1969 ) Biochim. Biophys Minutes 178: 156-165.
6: Izumori, K., Yeda, Y. y Yamanaka, K. (l978) J. Bacteriol 133:413-414.6: Izumori, K., Yeda, Y. and Yamanaka, K. (l978) J. Bacteriol 133: 413-414.
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Se utilizó enzima libre para demostrar el potencial de bioconversión de la enzima en concentraciones elevadas de sustrato. Se incubaron a 65ºC mezclas de ensayo de un ml que contienen 0,20 ml de extracto celular de E. coli con L-arabinosa-isomerasa recombinante de T. mathranii, 0,30 g de D-galactosa (30%, 1,67 M) o 0,60 g de D-galactosa (60%, 3,33 M), 25 mM de tampón maleato, con un pH de 6,9 y 5 mM de MnCl_{2}. Se trataron muestras control sin enzima de forma similar. Periódicamente, se tomaron muestras y se determinó la concentración de D-tagatosa por el método de cisteína-carbazol-ácido sulfúrico de acuerdo con lo descrito con anterioridad. Los resultados aparecen en la Tabla 2.2 A (30% de D-tagatosa) y en la Tabla 2.2 B (60% de D-galactosa).Free enzyme was used to demonstrate the bioconversion potential of the enzyme at high substrate concentrations. One ml test mixtures containing 0.20 ml of E. coli cell extract were incubated with T. mathranii recombinant L-arabinose isomerase, 0.30 g of D-galactose (30%, 1.67 M) or 0.60 g of D-galactose (60%, 3.33 M), 25 mM maleate buffer, with a pH of 6.9 and 5 mM of MnCl2. Control samples without enzyme were treated similarly. Periodically, samples were taken and the concentration of D-tagatose was determined by the cysteine-carbazole-sulfuric acid method as described previously. The results appear in Table 2.2 A (30% D-tagatose) and in Table 2.2 B (60% D-galactose).
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Bioconversión de D-galactosa en D-tagatosa con enzima libre Concentración inicial de D-galactosa 30% (1,67 M)Bioconversion of D-galactose in D-tagatose with enzyme free Initial concentration of D-galactose 30% (1.67 M)
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Bioconversión de D-galactosa en D-tagatosa con enzima libre Concentración inicial de D-galactosa 60% (3,33 M)Bioconversion of D-galactose in D-tagatose with enzyme free Initial concentration of D-galactose 60% (3.33 M)
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Se recolectaron células de un cultivo de 2 litros de células de E. coli que producen L-arabinosa-isomerasa, por centrifugación y se las homogeneizó en una celda de presión French de acuerdo con lo descrito con anterioridad. Se inmovilizó la enzima entrecruzando todos los componentes celulares con glutaraldehído y polietilenimina de acuerdo con lo descrito en el documento US 4.355.105. Se obtuvo glutaraldehído, al 25% (peso/volumen) de Merck, Darmstadt, Alemania, y se obtuvo polietilenimina, al 50% (peso/volumen) de Sigma Chemicals. Se recubrió la enzima entrecruzada por centrifugación, y se liofilizó el pélet y se almacenó a 4ºC hasta su uso posterior.Cells from a 2 liter culture of E. coli cells producing L-arabinose isomerase were collected by centrifugation and homogenized in a French pressure cell as described above. The enzyme was immobilized by cross-linking all cellular components with glutaraldehyde and polyethyleneimine in accordance with that described in US 4,355,105. Glutaraldehyde, 25% (weight / volume) was obtained from Merck, Darmstadt, Germany, and 50% polyethyleneimine (weight / volume) was obtained from Sigma Chemicals. The crosslinked enzyme was coated by centrifugation, and the pellet was lyophilized and stored at 4 ° C until later use.
Se determinó la actividad de la enzima inmovilizada por incubación de 20 mg de enzima liofilizada en una mezcla de ensayo de un ml que contenía 0,30 g de D-galactosa (30%, 1,67 M), 25 mM de tampón maleato, pH 6,9, y 5 mM de MnCl_{2} a 65ºC. Se trató una muestra control sin enzima de forma similar. Periódicamente, se tomaron muestras y se determinó la concentración de D-tagatosa por cromatografía líquida a alta presión. El rendimiento de enzima inmovilizada generalmente, fue de 60-100 unidades por litro de cultivo de célula de E. coli, y la recuperación de actividad enzimática después de la inmovilización, fue aproximadamente 50%. La actividad específica de la preparación de enzima inmovilizada era de aproximadamente 55 unidades por gramo de enzima liofilizada. Se definió una unidad como la cantidad de enzima que produce un micromol de D-tagatosa por minuto a 65ºC, pH 6,9, en una solución al 30% (peso/volumen) de D-galactosa.The activity of the immobilized enzyme was determined by incubation of 20 mg of lyophilized enzyme in a one ml test mixture containing 0.30 g of D-galactose (30%, 1.67 M), 25 mM maleate buffer, pH 6.9, and 5 mM of MnCl 2 at 65 ° C. A control sample without enzyme was treated similarly. Periodically, samples were taken and the concentration of D-tagatose was determined by high pressure liquid chromatography. The yield of generally immobilized enzyme was 60-100 units per liter of E. coli cell culture , and the recovery of enzyme activity after immobilization was approximately 50%. The specific activity of the immobilized enzyme preparation was approximately 55 units per gram of lyophilized enzyme. One unit was defined as the amount of enzyme that produces a micromol of D-tagatose per minute at 65 ° C, pH 6.9, in a 30% solution (weight / volume) of D-galactose.
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Se incubaron mezclas de ensayo de un ml que contienen 40 mg de enzima liofilizada (2,2 unidades), 0,30 g de D-galactosa (30%, 1,67 M), 25 mM de tampón maleato, pH 6,9 y 5 mM de MnCl_{2} a 65ºC. Se trató una muestra control de enzima de forma similar. Periódicamente, se tomaron muestras y se determinó la concentración de D-tagatosa por cromatografía líquida a alta presión. La Tabla 3.1 muestra los resultados obtenidos.One ml test mixtures were incubated which contain 40 mg of lyophilized enzyme (2.2 units), 0.30 g of D-galactose (30%, 1.67 M), 25 mM maleate buffer, pH 6.9 and 5 mM of MnCl 2 at 65 ° C. A control sample of enzyme similarly. Periodically, samples were taken and determined the concentration of D-tagatose by high pressure liquid chromatography. Table 3.1 shows the results obtained.
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Se incubó una muestra de enzima liofilizada (40
mg, 2,2 unidades) a 65ºC en una mezcla de ensayo de un ml que
contenía 0,30 g de D-galactosa (30%, 1,67 M), 25 mM
de tampón maleato, pH 6,9 y 5 mM de MnCl_{2}. Se tomaron muestras
para determinar la concentración de D-galactosa a
las 0 h y 24 h, y se analizaron por HPLC de acuerdo con lo descrito
con anterioridad. Después de un muestreo a las 24 h, se retiró la
solución de azúcar sobre la enzima inmovilizada, y se agregó una
solución de ensayo nueva a un volumen final de 1,0 ml. La incubación
de 24 h se repitió cuatro veces utilizando la misma muestra de
enzima para todos los ciclos de conversión de galactosa en
tagatosa.A lyophilized enzyme sample (40 mg, 2.2 units) was incubated at 65 ° C in a one ml test mixture containing 0.30 g of D-galactose (30%, 1.67 M), 25 mM buffer maleate, pH 6.9 and 5 mM of MnCl 2. Samples were taken to determine the concentration of D-galactose at 0 h and 24 h, and analyzed by HPLC as described above. After sampling at 24 h, the sugar solution on the immobilized enzyme was removed, and a new test solution was added to a final volume of 1.0 ml. The 24 h incubation was repeated four times using the same enzyme sample for all galactose conversion cycles in
Tagatose
La concentración final de tagatosa tras la conversión durante 24 horas permaneció constante (promedio de 529 mM \pm 5%) durante bioconversiones repetidas con la misma muestra de enzima (Tabla 3.2), e incluso después de la operación durante más de 100 h a 65ºC, la enzima no mostró ningún signo de velocidad de reacción reducida. El experimento demostró que la enzima inmovilizada es un bio-catalizador estable que puede ser utilizado para múltiples bioconversiones repetidas de galactosa en tagatosa.The final concentration of tagatose after Conversion for 24 hours remained constant (average of 529 mM ± 5%) during repeated bioconversions with the same sample of enzyme (Table 3.2), and even after the operation during more than 100 h at 65 ° C, the enzyme showed no sign of speed reduced reaction. The experiment showed that the enzyme immobilized is a stable biocatalyst that can be used for multiple repeated bioconversions of galactose in tagatosa.
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Se demostró el uso combinado de una lactasa inmovilizada termoestable y una L-arabinosa-isomerasa inmovilizada termoestable para conversión directa a alta temperatura de lactosa en tagatosa en un reactor simple. La enzima seleccionada para hidrólisis de lactosa fue la \beta-glicosidasa extremadamente termoestable de Sulfolobus solfataricus de arqueo termoacidófilo (Moracci, M., Ciaramella, M. y Rossi, M. [2001] Methods in Enzymology 330:210-15). Esta enzima de amplio espectro es una lactasa eficiente, y se ha clonado y expresado con éxito en E. coli y otros organismos microbianos huésped (ibid.).The combined use of a thermostable immobilized lactase and a thermostable immobilized L-arabinose isomerase was demonstrated for direct high temperature conversion of lactose into tagatose in a single reactor. The enzyme selected for lactose hydrolysis was the extremely thermostable β-glycosidase of Sulfolobus solfataricus of thermoacidophilic archae (Moracci, M., Ciaramella, M. and Rossi, M. [2001] Methods in Enzymology 330: 210-15). This broad-spectrum enzyme is an efficient lactase, and has been successfully cloned and expressed in E. coli and other host microbial organisms ( ibid .).
Si bien la mayoría de las lactasas previamente caracterizadas son fuertemente inhibidas por galactosa, se ha informado que esta enzima en particular no es inhibida por galactosa, y es inhibida solamente de forma moderada por glucosa (Pisani, F. M., Rella, R., Raia, C. A., Rozzo, C., Nucci, R., Gambacorta, A., De Rosa, M. y Rossi, M. [1990] Eur. J. Biochem. 187:321-328).While most of the previously characterized lactose are strongly inhibited by galactose, it has been reported that this particular enzyme is not inhibited by galactose, and is only moderately inhibited by glucose (Pisani, FM, Rella, R., Raia, CA, Rozzo, C., Nucci, R., Gambacorta, A., De Rosa, M. and Rossi, M. [1990] Eur. J. Biochem. 187: 321-328).
Pisani y colaboradores 1990). Se esperaba que estas propiedades favorables respecto de la inhibición de un producto final resultaran altamente ventajosas para la hidrólisis de lactosa a una concentración de sustrato alta como el 30% (peso/volumen). Además, la enzima de S. solfataricus no requiere de ningún cofactor, a diferencia, por ejemplo, de la \beta-galactosidasa de E. coli que es dependiente de Mg^{2+}. Por lo tanto, solamente el cofactor requerido por los iones de manganeso de isomerasa de T. mathranii, tiene que ser incluido en el medio de la reacción, así, excluyendo así cualquier influencia de un cofactor requerido por la lactasa.Pisani et al 1990). It was expected that these favorable properties with respect to the inhibition of a final product would be highly advantageous for the hydrolysis of lactose at a high substrate concentration such as 30% (weight / volume). In addition, the S. solfataricus enzyme does not require any cofactor, unlike, for example, E. coli? -Galactosidase which is Mg2 + dependent. Therefore, only the cofactor required by the T. mathranii isomerase manganese ions has to be included in the reaction medium, thus excluding any influence of a cofactor required by lactase.
Se clonó y se expresó en E. coli el gen que codifica la \beta-glicosidasa de Sulfolobus sulfataricus. El gen se aisló por reacción de cadena de polimerasa (PCR) utilizando ADN cromosómico purificado de cepa P2 de Sulfolobus solfataricus. Se diseñaron cebadores que contenían sitios de restricción adicionales para Ndel y BamHI para dar lugar a la totalidad de la secuencia de codificación en un fragmento que fue posteriormente clonado, en el plásmido de expresión estándar pET3a (Novagen).The gene encoding Sulfolobus sulfataricus β-glycosidase was cloned and expressed in E. coli . The gene was isolated by polymerase chain reaction (PCR) using purified chromosomal DNA from strain P2 of Sulfolobus solfataricus . Primers were designed containing additional restriction sites for Nd el and BamH I to give rise to the entire coding sequence in a fragment that was subsequently cloned, in the standard expression plasmid pET3a (Novagen).
Las células de E. coli que producen la enzima se cultivaron, recolectaron por centrifugación, se sometieron a lisis en una celda de presión French y se entrecruzaron con glutaraldehído y polietilenimina de acuerdo con lo descrito en el documento US 4.354.105. Se recuperó la enzima inmovilizada por centrifugación y liofilización del pélet. La actividad de la lactasa inmovilizada fue de 1.500 unidades/g en peso seco. Se definió una unidad como la cantidad de enzima que libera un micromol de glucosa por minuto a 65ºC, pH 6,5, en un 30% (peso/volumen) de solución de lactosa. E. coli cells that produce the enzyme were cultured, collected by centrifugation, lysed in a French pressure cell and crosslinked with glutaraldehyde and polyethyleneimine as described in US 4,354,105. The immobilized enzyme was recovered by centrifugation and lyophilization of the pellet. The activity of immobilized lactase was 1,500 units / g in dry weight. One unit was defined as the amount of enzyme that releases one micromol of glucose per minute at 65 ° C, pH 6.5, in 30% (weight / volume) of lactose solution.
Se produjo L-arabinosa-isomerasa de Thermoanaerobacter mathranii en E. coli y se inmovilizó según lo descrito en el Ejemplo 3.1. Thermoanaerobacter mathranii L-arabinose isomerase was produced in E. coli and immobilized as described in Example 3.1.
Se incubaron mezclas de ensayo de un ml con contenido de 20 mg (30 unidades) de lactasa inmovilizada, 80 mg (4,4 unidades) de isomerasa inmovilizada, 0,30 g de lactosa (30%, 875 mM), 25 mM de tampón de K-maleato, pH 6,9 y 5 mM de MnCl_{2} a 65ºC. Se trató una muestra control sin enzimas de forma similar. Periódicamente, se tomaron muestras y se determinaron las concentraciones de glucosa, galactosa y tagatosa por cromatografía líquida de alta presión. De acuerdo con la Figura 7, la concentración de glucosa aumentó a aproximadamente 800 mM durante 24 horas, lo que indica que se hidrolizó casi toda la lactosa en galactosa y glucosa. La concentración de tagatosa aumentó de forma lineal a aproximadamente 300 mM durante 24 horas, lo que indica una bioconversión de aproximadamente 38% (300 mM/800 mM).One ml test mixtures were incubated with 20 mg (30 units) content of immobilized lactase, 80 mg (4.4 units) of immobilized isomerase, 0.30 g of lactose (30%, 875 mM), 25 mM K-maleate buffer, pH 6.9 and 5 mM of MnCl2 at 65 ° C. A control sample without enzymes from similar form. Periodically, samples were taken and determined the concentrations of glucose, galactose and tagatose by high pressure liquid chromatography. According to the Figure 7, glucose concentration increased to approximately 800 mM for 24 hours, indicating that almost all of the hydrolyzed lactose in galactose and glucose. Tagatose concentration increased linearly to approximately 300 mM for 24 hours, indicating a bioconversion of approximately 38% (300 mM / 800 mM).
La hidrólisis exitosa de lactosa y la posterior isomerización de galactosa en tagatosa demostraron que las dos enzimas implicadas eran capaces de operar bajo las mismas condiciones de reacción con respecto al pH, la temperatura, los componentes tampón y la concentración de iones de metal (5 mM de MnCl_{2}). Además, quedó demostrado que la enzima isomerasa no es afectada por la alta concentración de glucosa presente como resultado de la hidrólisis de lactosa.Successful hydrolysis of lactose and subsequent isomerization of galactose in tagatose showed that the two enzymes involved were able to operate under them reaction conditions with respect to pH, temperature, Buffer components and metal ion concentration (5 mM of MnCl2). In addition, it was shown that the enzyme isomerase is not affected by the high concentration of glucose present as Lactose hydrolysis result.
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<110> Bioteknologisk Institut<110> Bioteknologisk Institut
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<120> Una nueva isomerasa termoestable y uso de la misma<120> A new thermostable isomerase and use of it
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Claims (23)
excretada.18. A method of producing L-arabinose-isomerase, which comprises transforming a cell with the nucleic acid of claim 5 or 6 and operably linking thereto, appropriate expression signals that direct the expression of the isomerase, and optionally, sequences that direct the secretion of the isomerase, propagate said transformed cell and collect the progeny cells containing the isomerase or, if secreted into the medium, the isomerase
excreted
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